1、可见光通信任务组技术研究报告2022 年年 9 月月 版权声明版权声明 Copyright Notification 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2022 IMT-2030（6G）推进组版权所有 前前 言言 可见光通信主要工作在 380-780nm 之间的可见光频段，其频谱资源范围是现有常用无线频段的万倍左右，具有绿色节能、安全可靠、无电磁干扰、高速高信噪比等优点。在地基网络领域，可见光通信被认为是在室内，交通，医疗等场景中实现 Tbps 数据速率的关键推动因素；在天基网络领域，可见光通信由于第三代宽禁带半导体的抗辐照特性，激光波长短传输距离远和超大功率特性，未来有望实现星

2、间激光链路；在海基网络领域，水下透射窗口恰好位于可见光蓝绿波段，高速大容量低延时是水下无线光通信技术突出优势。因此可见光通信契合 6G 高能源效率、高可靠性、空天地海一体化泛在接入等多个关键维度，具有广阔的应用前景。可见光通信发展十余年来，尚未形成大规模产业化的应用，只是在部分应用场合开展了一些试点运营。主要原因在于以下三个方面，一是若干关键技术问题尚待继续突破，包括专用器件，传输体制，组网模式等；二是标准化建设需要进一步加强；三是产业生态需要进一步培育。按照当前可见光通信应用开展的程度，可以将典型应用领域分为三种类型，分别具有如下特征：（1）第一类的技术和条件相对成熟，已经开展了一些实际的试

3、点应用，主要指室内的定位导航；（2）第二类已经形成了试验系统，并在特定应用领域开展了相关实验研究，例如室内光通信网络、水下通信、电磁严控环境等；（3）第三类提出了应用概念，主要以理论研究为主，试验系统的研发还处在初始搭建和验证阶段，包括智能交通与车联网等。可见光通信当前需要攻克六项关键技术，包括信道建模，调制技术，编码技术，均衡技术，多址与复用技术，MIMO 技术等。在可见光通信中，通信链路格局、路径损耗、多径色散产生的时延等都会影响通信信道的特性。这些信道特性决定了如调制、编码技术、发射功率、接收灵敏度等方面的通信系统设计。可见光通信系统的调制带宽十分有限，商用 LED 灯的 3dB 带宽一

4、般只有几 MHz。除了从 LED 结构、驱动链路的设计上考虑，选择合适的调制方式也可提升传输速率。为了提高信道编码需要满足带宽要求和复杂性要求，提高编码增益，保证传输误码率使编码效率达到最佳，能纠正随机错误、突发错误以及两者混合的错误。均衡技术从实现方法可以分为数字均衡和模拟均衡。数字均衡为使用数字信号处理的方法完成均衡，而模拟均衡则是进行模拟均衡电路的设计。从在通信链路实现的位置看，可以分为预均衡和后均衡。预均衡是在发送端对 LED 频响特性进行预均衡，后均衡则是在接收端进行干扰的均衡。利用可见光通信具有宽光谱特性和大规模接收阵列的特点，可设计实现多域多维的光信号的复用增益。常用的复用技术有

5、频分复用、时分复用、码分复用、波分复用等。MIMO技术通过空间复用可以实现在有限带宽上进行高速通信，使用多个发射机发送数据和多个接收机接收数据，在不增加频谱资源的同时拥有更高的传输容量，是未来高速可见光通信的重要技术。经过近十余年的深入研究，可见光通信技术的基础理论研究已基本完成。该项技术正处于理论研究向技术应用转化的关键时期。在系统设计方面，主要考虑多网融合问题。未来的网络架构是既包含现有的无线接入技术，又包含新的可见光接入方式的异构网络。因此，在引入全新的可见光接入方式的同时，还将支持现有的包括5G、4G、3G、2G及无线局域网等在内的多种网络的传输。面向6G的异构融合网络，如何使不同类型

6、、不同层次、相互重叠覆盖的可见光通信网络和各种无线通信网络融合到一起协同工作，形成端到端的技术体系仍需深入研究，比如同步流程、随机接入流程、小区切换流程、多连接、控制面和用户面的协议栈等内容。在产业化方面，根据国际标准制定企标、行标等，早日开始可见光的试点规模化应用，占领应用产业链结构的上游与先机。后期推动可见光通信的大规模应用，全面引导产业技术发展方向，培育产业生态环境，全面促进可见光通信产业成熟和商用。1 目 录 目 录.1 图目录.3 表目录.4 第一章 概论.5 第二章 可见光通信概念及应用.7 2.1 地基通信应用场景.7 2.1.1 室内高速接入.7 2.1.2 工业应用.7 2.

7、1.3 室内导航.7 2.1.4 医疗.7 2.1.5 飞机舱内接入.8 2.1.6 交通应用.8 2.2 天基通信应用场景.8 2.2.1 星间通信.8 2.2.2 星地通信.9 2.3 海基通信应用场景.9 2.3.1 水下通信.9 2.4 本章小结.9 第三章 国际国内科学研究形势.10 3.1 国际研究形势.13 3.2 国内研究形势.14 3.3 本章小结.15 第四章 国际国内产业发展现状.16 4.1 可见光通信国际产业化现状.16 4.1.1 室内光无线网络.16 4.1.2 智能交通与车联网.17 4.1.3 室内定位导航.17 4.1.4 水下环境.18 4.1.5 电磁严

8、控环境.18 4.2 国内可见光通信产业化现状.19 4.2.1 室内光无线网络方面.19 4.2.2 智能交通与车联网.20 4.2.3 室内定位导航.21 4.2.4 水下环境.22 4.2.5 电磁严控环境.22 4.3 本章小结.22 第五章 可见光通信关键技术.23 5.1 可见光通信信道模型.23 2 5.1.1 LED 工作特性.23 5.1.2 信道建模.26 5.2 调制技术.30 5.2.2 单载波调制.31 5.2.3 多载波调制.31 5.2.4 无载波调制.34 5.2.5 颜色调制.35 5.3 编码技术.38 5.4 均衡技术.40 5.4.1 线性均衡器.40

9、5.4.2 非线性均衡器.42 5.5 多址与复用技术.44 5.5.2 频分复用与频分多址.44 5.5.3 时分复用与时分多址.45 5.5.4 波分复用与波分多址.46 5.6 MIMO 技术.49 5.6.1 MSD-MIMO48.49 5.6.2 像素化 MIMO.50 5.6.3 非成像 MIMO51.50 5.6.4 成像 MIMO.51 5.7 本章小结.52 第六章 可见光通信面临的问题与挑战.53 6.1 新材料与新器件.53 6.2 可见光通信异构组网.54 6.3 先进的调制编码和数字信号处理算法.56 6.4 可见光通信信道建模.56 6.5 可见光通信芯片研制.57

10、 6.6 可见光通信市场应用.57 6.7 可见光通信标准制定.59 6.8 本章小结.59 第七章 未来发展规划.60 7.1 系统设计.60 7.2 产业.60 7.3 本章小结.61 总 结.62 参考文献.64 3 图目录 图 4-1 低功耗短距离可见光物联网系统.20 图 4-2 暨南大学研制的地下停车场导航系统.22 图 5-1 白光 LED 频率响应.24 图 5-2 光谱分布.24 图 5-3 伏安特性曲线.25 图 5-4 P-U 曲线.25 图 5-5 可见光通信直射模型2.27 图 5-6 可见光通信多次反射模型2.27 图 5-7 阵列光源.28 图 5-8 多色光源.

11、28 图 5-9 可见光空间传输模型.29 图 5-10 PAM 信号.31 图 5-11 PPM 信号.31 图 5-12 OFDM 信号示意图.32 图 5-13 OFDM-VLC 系统框图18.34 图 5-14 CAP 调制原理框图24.35 图 5-15 CIE 1931 颜色坐标.36 图 5-16 色移键控系统27.37 图 5-17 CIM-MIMP 系统框图28.38 图 5-18 自适应 DFE 均衡结构示意图36.42 图 5-19 不同数字均衡算法下的星座图36.42 图 5-20 复用示意图.44 图 5-21 频分复用示意图.45 图 5-22 时分复用示意图.46

12、 图 5-23 时隙分配.46 图 5-24 波分复用原理图42.47 图 5-25 RGB-LED 频谱43.47 图 5-26 MSD-MIMO 链接阻塞示意图47.49 图 5-27 像素化 MIMO 系统示意图47.50 图 5-28 非成像和成像 MIMO 系统示意图47.51 图 5-29 非成像 MIMO 可见光系统框图52.51 图 5-30 成像 MIMO 可见光系统框图52.52 图 6-1 高速可见光通信系统在器件上的挑战.53 图 6-2 高速可见光通信系统在异构组网上的挑战.55 图 6-3 可见光通信信道建模.57 4 表目录 表 5-1 可见光通信系统传输实验统计

13、2.30 表 5-2 IEEE 802.15.7 物理层标准13.39 表 5-3 复用技术.48 表 5-4 几种多址技术的比较4446.48 表 7-1 主要贡献单位.67 5 第一章 概论 在 IMT-2030 推进组的统一安排下，6G 无线技术工作组可见光通信任务组提交此可见光通信关键技术报告。随着无线技术在各行业的广泛应用与不断发展，6G将有望在5G基础上，跨越人联、物联，迈向万物智联，这也带来了传输容量十倍甚至百倍的提升诉求。但随之而来的问题是，现有的无线频谱资源已经难以满足日益增长的无线频谱需求。新型频谱载波资源（太赫兹、可见光、紫外和红外波长）以其超大带宽的优势，为通信与感知注

14、入了无限可能。其中，可见光通信（Visible Light Communication，VLC），其工作的可见光波段（400-800THz）尚属空白频谱，无需授权即可使用，对无线通信而言具有巨大优势。与此同时，VLC 又将照明和通信相结合，具有无电磁干扰、绿色环保等多个优势，被多个国家的多个 6G 白皮书认为是 6G 关键技术之一。目前，现有的短距离无线通信以射频技术为主，但是，基于射频的无线通信技术的进一步发展受到频谱带宽和电磁干扰等因素的限制，这将影响到新兴业务的广泛应用。随着 LED 照明技术的广泛应用推广，基于可见光 LED 的通信日益受到关注。与传统照明光源相比，可见光 LED 不仅

15、光电转换效率高、使用寿命长、绿色环保，而且具有调制性能好、响应时间短等优点。利用 LED 这些特性，在用作照明的同时，还可以把信号调制到 LED 可见光束上进行传输，实现光媒质的无线通信技术，即LED 可见光通信技术。使用 LED 可见光通信与传统的无线通信技术相比较，它有以下优点：(1)可见光LED 基础设施分布广泛；(2)可见光对人体安全；(3)发射频率高，传输速率快；(4)无电磁干扰；(5)频谱较宽，且无需频率许可。由此可以看出，LED 可见光通信技术提供一种全新的数据通信方式，并具有多领域，多场景，多行业的应用发展前景，已引起国内外的广泛关注和研究。本技术报告力图从基本概念、技术、产业

16、等角度，给出可见光通信的发展的整体轮廓，从研究和产业角度介绍可见光通信的整体现状；从发射部件、接收部件和光学天线给出可见光通信的关键器件，分析可见光通信发展的关键技术；同时提出在不断创新的应用下可见光通信的问题、挑战与未来发展规划。本技术报告的发布，旨在分享我们在可见光通信领域的研究成果，呼吁共同推动6 可见光通信的发展。7 第二章 可见光通信概念及应用 可见光通信的主要应用场景将涵盖 6G 空天地海泛在接入的三大场景，包含：室内高速接入、车车通信以及车路通信、飞机舱内通信、医院等干扰受控、商场等信息推送场景、水下通信、工厂自动化等高密接入干扰受控、室内导航、星间通信等。2.1 地基通信应用场

17、景 2.1.1 室内高速接入 可见光通信在室内高速接入中有着很大的需求，目前随着 AR/VR、以及全息应用的发展，无线通信速率已经向着 100Gbps的需求迈进，目前只有光介质有着丰富的频谱资源，这样通过利用光介质提供无线接入，才能满足日益增长的高速无线接入需求。2.1.2 工业应用 在工业应用中，由于光的干扰可控，特别是一些高可靠场景，工厂自动化场景等，通过局域控制和设计光无线接入方法，能提供更好的无干扰环境，提供可靠安全的接入网络，为工业应用提供安全接入保障。2.1.3 室内导航 可见光定位可以用在室内 GPS 上，该系统可以在任何环境下部署：购物商场，电影院，办公室，公司等。在商场环境中

18、，客户可以通过智能手机接收相关商品信息，以便进行销售和广告推送；整个系统的中心节点知道每个可见光节点的安装位置（建筑物的 3D 地图），并且了解每个移动设备上有对应的位置服务应用程序，可以根据设备的位置信息来进行广告和促销活动。可见光的定位精度，相比其它方案，精度可以大幅度提升；这将为可见光导航应用提供了更大的机会。另外，除了商场环境外，博物馆等场景也有很好的应用，当用户设备靠近博物馆展览品的附近时，展览品的信息就可以很好的显示在用户设备上。2.1.4 医疗 因为 WiFi 存在干扰的问题，在医院环境中造成的干扰限制了 WiFi 和智能手机的使用。在手术室或诊断空间中，因为医疗机器与手机等设备

19、都同时使用了无线电波，8 所以会相互干扰，这导致无线系统的使用受到很大限制，例如：输液泵的磁共振成像扫描仪，通过 WiFi 工作，结果出现频率重叠问题等；但是可见光通信可以在医院的走廊、病房和手术室等环境使用，而不受到无线电波的约束；可见光通信可以用于监控各种医疗器械和设备，例如心跳、血压、葡萄糖水平、脑电图仪、眼电图等，由传感器收集的数据并且通过可见光通信的方式传送到后端网络。特别是像 MRI 等对无线信号非常敏感，需要对特定频率范围的灵敏度进行调谐，并且线圈会拾取该范围内的任何信号，这可能会导致产生明显的错误图像，所以需要可见光通信这类系统。2.1.5 飞机舱内接入 大多数航空系统，特别是

20、飞机系统，禁止使用 WiFi，所以可见光通信可能成为飞机上的无线通信的解决方案，可见光通信能够很容易的将娱乐信息和其他信息发送给乘客，并且利用飞机上已有的网络和设备，降低布线重量，提升航空公司的服务，因为是局域网络，还可以确保座舱内的通信安全，防止客舱内的黑客入侵；可以将通信的光源集成到设备中（电脑、笔记本等），包含调制器/解调器系统、发射和检测设备，同时保持每个乘客的单独通信和照明；在每个乘客的阅读灯中部署通信功能，同时还要处理不同照明之间的干扰问题，目前空中客车公司已经启动了一个机上可见光通信的重要项目，目的是展示机舱可见光通信的优势。2.1.6 交通应用 主要是为了满足日益增长的车辆以及

21、车路通信的需求，解决道路交通事故、自动驾驶等问题，目前自动驾驶主要涉及车辆检测以及识别和跟踪所有周围障碍物（是否已固定或正在移动），根据目标和交通情况确定最佳路径，以及检测并跟踪障碍物，并了解其运动情况等；从通信角度看，车车通信和车路通信有交大需求，可以根据安全性或便利性来修改车辆的路线，更好的提供导航服务；目前涉及的技术包括红外、VLC 等技术，新出现的技术有高精度相机、激光雷达等，同时可以配合图像处理等技术；自动架势将嵌入更多的信息处理技术，可见光通信将起到至关重要的作用。2.2 天基通信应用场景 2.2.1 星间通信 由于太空中遮挡极少，接近真空的环境对光信号的传输干扰极小，早在上世纪7

22、0 年代，一些发达国家就开始了对星间光通信的研究。目前较为成熟的星间光通信系统采用 1550nm 波长激光器，在红外波段传输相干光信号，通信速率可以达到 Gbps9 级别。但可见光器件理论上有着更大的发射功率和更远的传输距离，有望利用可见光频段实现星间光通信系统。2.2.2 星地通信 由于可见光通信的抗电磁特性，卫星与地面站之间的通信也可以通过可见光通信来实现。此外利用可见光通信可以与其他无线通信体制一同组成异构的全天候通信，降低天气环境对星地通信的影响。2.3 海基通信应用场景 2.3.1 水下通信 主要是通过传感器将水中的数据上报，传感器组在水中进行部署并检测水下环境，主要包括：水质监测、

23、栖息地监测、深海探索、自然以及人为灾难、矿山和潜艇监视应用、辅助导航等；水下通信存在三种通信系统：声波、RF 通信、光通讯；无线电波在水下环境中因为衰减的问题，水下环境中的重度衰减（由于水的导电性质）严重制约短距离实时通信的用途，需要高发射功率和复杂的天线设计，应用受限；声波通信主要是远距离通信（海洋深度监测和探索），因为速率较低的原因，只能在一些特殊场景应用；光波主要特点是高带宽，中等距离，主要影响因素有：水下传播受温度，粒子束散射和反射等传播效应的影响水，以及光学系统和光束聚焦等影响，同时，在接收器端，需要收集信号，以及需要进行光束转向和光学补偿等。2.4 本章小结 由于频域资源丰富、抗电

24、磁干扰、保密性高等优势，可见光通信的应用极其广泛，将涵盖 6G 空天地海泛在接入的三大场景。本章简述了可见光通信的地基通信、天基通信和海基通信应用场景。10 第三章 国际国内科学研究形势 作为支撑可见光通信（VLC）的硬件系统，白光光源和光电探测器的研制备受瞩目。高性能的光源与光电探测器不仅能从本质上直接提升系统性能，更是能对光通信无线技术发展提供硬件支持，从根本上决定了光信号的发射、传输、接受与转换，是影响整个可见光通信系统的数据传输的关键。目前主流的光源是发光二极管（LED）和激光二极管（LD），LED 包括荧光粉型LED 与 RGB 型 LED。荧光粉型 LED 是使用最广泛的白光 LE

25、D，其原理是利用蓝光激发黄色荧光粉产生白光。这种 LED 结构简单、成本低、易于商业化。但是由于黄色荧光粉的长荧光寿命导致其调制带宽限制在 3MHz 左右，这是限制 VLC 系统传输速率的主要原因。因此提高荧光粉型 LED 的调制带宽和系统传输速率成为研究者们的研究重点。首先，在接收端增加蓝色滤光片可以将响应速率慢的黄光分量滤除，使荧光粉型LED 的调制带宽从 3MHz 扩展到 10MHz。此外，用响应速度快的荧光材料代替黄色荧光粉也是一种提高带宽的方法。2014 年牛津大学的 Chun 等人通过使用黄色荧光聚合物代替黄色荧光粉结合GaN-LED获得了带宽超过了100MHz的白光LED光源，其

26、数据传输速率高达 1.6Gbit/s。RGB-LED是通过将红、绿、蓝三色LED芯片封装在一起并将它们发出的光混合在一起得到白光。由于其芯片的独立调制性，RGB-LED 具有较高的调制带宽，有利于高速 VLC 信号的传输。2011 年 Franuhofer 研究所使用 RGB-LED 的 VLC 系统其带宽达到了20MHz。但是RGB-LED的调制复杂度相对较高，控制三个芯片保持光稳定性有待研究。此外，LED光源芯片的带宽受限于RC时间常数和载流子自发辐射速率，因此可以通过减少 RC 时间常数和减小载流子寿命提高 LED 的带宽。小尺寸的 LED 因其电容小、电流密度高，从而导致其调制带宽大。

27、2010年英国思克莱德大学的McKendry通过制备了小于100m的“LED”来增加这些设备的带宽，其光带宽超过了百MHz。但LED 尺寸过小会导致光功率的降低，不利于其在可见光通信中的应用。小尺寸高光效LED 也是 VLC 速率的保障，河源众拓光电科技有限公司研制的 70mil70mil 的微尺寸LED 光效高达 190lm/w，和国际照明龙头企业 Cree 公司的最高水平一致。此外，制备新型微尺寸 LED 阵列是一种扩宽 LED 光源带宽和保持大光功率的有效方法。减小载流11 子寿命是另一种有效的提高 LED 的带宽的方法，且不会受到芯片尺寸的限制，减小载流子寿命的方法主要有制备谐振腔 L

28、ED、表面等离子体 LED 和新结构 LED 等。2013年佐治亚理工学院的 Moudakir 等在分别在 n/p-GaN 前后分别插入 GaN/AlGaN 和SiO2/ZrO DBR 层，使两层形成一个光学谐振腔，用于减小了载流子自发辐射寿命增大带宽。2015年中科院半导体研究所的赵丽霞课题组通过纳米Ag颗粒修饰的纳米柱LED将其带宽提高了 2 倍。2018 年华南理工大学李国强团队设计了一种垂直结构的硅衬底上浅阱+多量子阱LED能够有效提升调至带宽，其主要原因是垂直多阱结构导致载流子的高抽取率和短寿命。由于 LD的受激发射过程会缩短载流子寿命，因此 LD比 LED具有更窄的光谱线宽和更高的

29、调制带宽。2016 年阿卜杜拉国王科技大学的 Boon 等研制一种新型的基于 InGaN 的高功率蓝光超发射二极管（SLD），该种光电二极管有效结合了LED 与 LD 的优点，不仅可以实现 800MHz 左右的调制带宽，还能有效避免 LD 的散斑效应。2019 年，Shen 等人使用 DMT 高阶调制，使用 SLD 实现了 3.4Gbit/s 的高速通信。目前 SLD 的工作波长主要集中在蓝绿光波段。2021 年，南昌大学在硅基 LED 的基础之上研制多超晶格结构，进一步增加了硅基 LED 的-10dB 带宽至 400MHz，复旦大学通过对比研究，使用优化的多超晶格结构硅基 LED 实现了单色

30、 3.37Gbit/s 的高速通信，使用八波长的波分复用，同时刷新了 LED 可见光通信的短距离和中距离世界最高速率：1.2米距离下 24Gbit/s，20 米距离下 2.02Gbit/s。在 VLC 接收系统中，发挥主要作用的是光电探测器，其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。光电探测器依据其结构分为 PIN 光电二极管、雪崩二极管（APD）、金属-半导体-金属光电探测器（MSM-PD）、超晶格雪崩二极管（SAPD）、波导型光电探测器（WPD）和谐振腔增强型光电探测器（RCEPD）等。使用的材料包括 Si、Ge、InP、GaN、ZnO 等，覆盖波段包括紫外波段、可见光波段、

31、近红外波段和中远红外波段等。由于 Si 材料的探测波段为 400-1100nm，硅基光电探测器在 VLC 中被广泛应用。目前主流的商用探测器是硅基 PIN 光电二极管探测器和硅基APD 雪崩二极管探测器。PIN光电二极管探测器结构简单、制备流程少，在大规模生产和集成中有较大的优势。PIN光电二极管探测器是目前成本较低的主流探测器，但其灵敏度相对较低，不能进行远距离通信且响应带宽有限。为了提升PIN光电二极管探测器的灵敏度，集成PIN平面阵列成为很有潜力的研究方向。2015 年，复旦大学首次设计了 33 硅基集成 PIN阵列，并实现了 1.2Gbit/s 可见光通信。此外，优化 PIN 光电二极

32、管探测器的量子效率的研究也在一直进行，2010 年，中国台湾国立中央大学的 Hsin 课题组报道了一种交替12 N阱P阱型结构的 PIN 光电探测器，其在850nm波长实现了8.7GHz的 3dB 带宽，同时拥有接近 100%的量子效率。APD 雪崩二极管是利用雪崩效应以提供较大放大倍数的光电二极管，其具有高灵敏度，低暗电流的特点。虽然它的接收灵敏度很高，但是引入的噪声也同样很大，不适用于对信噪比要求高的应用场景中。基于高灵敏度，APD 可以探测到单光子量级，此时被称为单光子雪崩二极管（SPAD），其代表了探测器灵敏度的极限。尽管 SPAD具有很高的灵敏度，但是其 VLC 传输速率只有 200

33、Mb/s（2015 年牛津大学 Collins 团队报告）。此外，由于 Si 基 APD 探测器蓝光灵敏度低的缺陷在很大程度上限制其在可见光通信中的应用，因此提高Si基APD探测器蓝光波段的灵敏度势在必行。2018年长春理工张晶等通过优化器件表面增透膜系统，将 Si 基APD探测器在 400nm 处的响应度提高到 110A/W。此外，由于 Si 材料的抗辐射能力弱，这限制了 Si 基探测器在极端条件下的应用。第三代半导体 InGaN 材料因带隙可调，使得 InGaN 探测器能够覆盖整个可见光波段的探测，实现与 LED 光源发射的光信号的匹配，能够高效的接收光信号，满足集成于同一个 VLC 系统

34、芯片的要求。2017 年，华南理工大学李国强团队研制的 InGaN 基 PIN 光电探测器，其仅对蓝光波段敏感且响应速率高达 0.08ps-1，有利于VLC 接收机的发展。2017 年阿卜杜拉国王科技大学的 Boon团队将共用同一个 InGaN/GaN 量子阱的 LD和波导光电探测器（WPD）集成，其探测器带宽高达 230MHz。2018 年该团队又以超短载流子寿命的 InGaN/GaN 量子阱 PIN 探测器为基础，所搭建的可见光系统传输速率达到3.2Gbit/s。随着零偏压自驱动探测器研究的开展，InGaN 基探测器的工作电压可以降到非常低，甚至能够实现零偏压自驱动工作，这使得器件的功耗非

35、常低，更符合现代社会对节能环保的要求。2019 年印度科技学院的 Krupanidhi 等人报道了一种在 580nm处响应达 9.64A/W 的 InGaN/AlN 自供电探测器，这为应用于 VLC 系统的 InGaN 蓝光探测器的发展提供了一个方向。MSM 型光电探测器以其高速特性和易于集成的特点被广泛关注，但由于 MSM 光电探测器表面的金属对光有强烈的吸收，金-半接触的势垒高度直接影响探测器的性能，内部增益低等限制了 MSM 探测器在 VLC 系统的应用。因此，对用于 VLC 系统的MSM 型的光电探测器的研究一直在进行。华南理工大学李国强团队研制的 InGaN 基MSM 型光电探测器，

36、在 425nm 处展现出较强的响应，为 VLC 系统中可集成的接收机提供了良好的基础。总的来说，现阶段的 VLC 的器件方面 LED 光源的带宽需要继续扩展、探测器灵敏13 度、响应度等需要提高。未来的 VLC 的收发两端器件的发展逐渐朝着传统器件更新化、新型器件完善化的方向发展。3.1 国际研究形势 可见光通信属于产业关联度高、带动能力强、应用领域广的前沿尖端技术，因此在国际上也备受关注。据国际权威机构统计，未来可见光通信技术应用的产业规模可达万亿级别。日本作为最早进行可见光通信研究国家之一，其早在 2003 年就在中川正雄教授的牵头下吸引了包括，NEC、Sony、Toshiba 等一批研究

37、单位和企业，成立了日本可见光通信联合体，目前在可见光通信领域取得了很大进展。可见光通信技术在日本的应用主要包括室内定位系统，重点是协助视觉障碍人群的室内导航、进行超市人流统计以及精确位置测量等，通过可见光图像传感器实现定位，精度可达到1毫米。值得一提的是，2012 年庆应大学的 Nakagawa 实验室推出了一套 VLC ID 系统开发工具包，其包含一对发射器和接收器组件，满足 JEITA（日本电子和信息技术行业协会）定义的 VLC ID系统标准，目的是增加人们对 VLC 认识，使得各种各样基于 VLC ID 的应用程序开发简单化。2008 年，美国国家科学基金会，召集了包括伦斯勒理工学院，波

38、士顿大学，新墨西哥大学等在内的多所高校，投入 4000万美金，计划用 10年的时间从事智能照明系统的研究。目前，已成功研发出四色多通道可见光传输系统及室内可见光定位系统，且即将应用于沃尔玛超市。此外，UC-Light 也是进行可见光通信研究的重要机构，其依托于加州大学的4 所分校和 1 个美国国家实验室，其研究人员的研究背景涉及建筑学、无线通信、网络、照明、光学、器件等领域。UC-Light 成立的目的是开发一种基于LED 照明的高速通信和定位系统。2008 年，欧盟设立了家庭 G 比特接入计划（OMEGA），对可见光通信展开了深入的研究。OMEGA 计划由欧洲的 20 多家大学科研单位和企业

39、组成，它的目标是发展出一种全新的能够提供宽带和高速服务的室内接入网路，构建家庭区域宽带通信网络，集成可见光通信、无线通信和电力线通信，使得通信速率达到 1Gbps。2012 年 10 月，英国工程和物理学研究委员会启动了一个为期 4 年耗资近 500 万英镑的项目研究“超并行的可见光通信”，协作方包含，斯特拉斯克莱德大学、爱丁堡大学、圣安德鲁斯大学、牛津大学和剑桥大学等，主要研究 VLC 的空间分集传输。其中，英国斯特拉思莱德大学的学者们开发的 LED 新模型仅仅是 1 平方微米的大小，比14 现有商用的 LED 小近 1000 倍，被称为 micro-LED 或者微米级 LED。这意味着在常

40、规LED占用的同样的空间内，能放置超过1000个LED，除了它的大小，micro-LEDs可以比现有商用的 LED 闪烁速度快 1000 倍。因此，从理论上讲，单位面积上 1000 个micro-LEDs 以 1000 倍的闪烁速率闪烁，可以把数据传输率提升一百万倍。2013 年 10月，爱丁堡大学的哈斯教授创立的 Pure LiFi（原名为 Pure VLC）公司向美国一家医疗机构售出第一套 LiFi 设备，价值 5000 欧元（人民币约 4.1 万元）。这场交易标志着 LiFi的实用商业价值正式被认可。此外，包括 LVX System，Rise，Gallium Lighting，Sobal

41、 Corporation，Outstanding Tech，Casio，Intel Corporation 在内的企业，也都加入到 VLC 的研究。阿尔卡特朗讯贝尔实验室也非常看好可见光通信的发展前景，阿尔卡特朗讯在全球范围举办的 2011 年创业训练营竞赛中，获得中国区第一名的团队创业提案的技术主题就是可见光通信。Intel 的研究者从 2008 年开始研究，通过 LED 发出的可见光可以打造一个廉价的车联网，汽车本来就具有头灯、尾灯，所以只要把这个机制引入新的系统，就可以形成车辆间沟通。CISCO的报告中更是指出基于可见光通信的LiFi将是5G蜂窝网络标准的组成部分之一。3.2 国内研究形

42、势 与日欧美等国相比，中国可见光通信技术研究起步相对较晚。2008 年，中国科学院半导体研究所整合所内优势研发力量，在中国科学院的支持下，启动了基于可见光通信的“半导体照明信息网”（Solid State Lighting Information Network，S2-link）的研究，研究范围覆盖材料、器件、协议和系统。2013 年，国家 863 计划设立了“可见光通信系统关键技术研究”项目，项目由解放军信息工程大学牵头，东南大学、北京大学、清华大学、北京邮电大学、上海交通大学、复旦大学、中科院半导体所、工信部电信传输所、上海宽带技术及应用工程研究中心等共同承担，旨在开发可见光（波长380n

43、m-780nm）新频谱资源，研究可见光通信系统在复杂信道条件下非相干光散射畸变检测、调制编码、光电多维复用与分集、最佳捕获检测等关键技术，建立可见光通信实验系统并开展典型应用示范，为可见光通信这一新型绿色信息技术的产业化奠定基础。同年，国家 973 计划项目“宽光谱信号无线传输理论与方法研究”启动，由中国科学技术大学、北京理工大学、清华大学、东南大学、北京大学、北京邮电大学、中科院半导体所共同承担。项目面向国家发展“新一代信息技术”的重大需求，重点围绕开拓新的光谱资源的核心目标，旨在从本质上揭示宽光谱信号无线传输机理，建立15 宽光谱信号无线光通信的基础理论与方法，挖掘从红外光延伸至可见光和紫

44、外光波段的光谱资源，适应多场景、多应用需求，实现信息在空间的可靠、高效传输，解决日益严重的无线通信频谱和无线覆盖的瓶颈问题，满足未来宽带大容量移动通信的需求，为人口密集区域的信息基础设施建设提供高速大容量有效解决方案，为国防安全领域提供可靠安全的通信手段，并辐射至电磁敏感行业、矿山智能化、交通管理、物联网等应用领域。经过十余年的努力，我国科研人员在可见光通信领域已经取得了与世界发达国家和地区的同等水平，在其中某些方向处于领先地位。3.3 本章小结 本章阐述了可见光通信的国际国内科学研究形势，总的来说，现阶段的 VLC 的器件方面 LED 光源的带宽需要继续扩展、探测器灵敏度、响应度等需要提高。

45、未来的VLC 的收发两端器件的发展逐渐朝着传统器件更新化、新型器件完善化的方向发展。在国际方面，日本、美国、欧盟等国家大力发展可见光通信产业；相比之下，我国可见光通信技术研究起步相对较晚，经过十余年的努力，我国科研人员在可见光通信领域已经取得了与世界发达国家和地区的同等水平，在其中某些方向处于领先地位。16 第四章 国际国内产业发展现状 4.1 可见光通信国际产业化现状 可见光通信发展十余年来，尚未形成大规模产业化的应用，只是在部分应用场合开展了一些试点运营。主要原因在于以下三个方面，一是若干关键技术问题尚待继续突破，包括专用器件，传输体制，组网模式等；二是标准化建设需要进一步加强；三是产业生

46、态需要进一步培育。按照当前可见光通信应用开展的程度，可以将典型应用领域分为三种类型，分别具有如下特征：（1）第一类的技术和条件相对成熟，已经开展了一些实际的试点应用，主要指室内的定位导航；（2）第二类已经形成了试验系统，并在特定应用领域开展了相关实验研究，例如室内光通信网络、水下通信、电磁严控环境等；（3）第三类提出了应用概念，主要以理论研究为主，试验系统的研发还处在初始搭建和验证阶段，包括智能交通与车联网等。4.1.1 室内光无线网络 由于室内光无线网络面向大众市场和室内照明网络普遍存在这两个特点，室内光无线网络是受到业界比较公认的可见光通信的最大潜在市场。当前，室内光无线网络产业化方面主要

47、研究的是无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）的组网方式，光蜂窝网只限于一些理论研究成果。爱丁堡大学哈斯教授团队于 2012 年借鉴了 WiFi（Wireless Fidelity）思想，提出了LiFi（Light Fidelity）概念，并开办了 PureVLC 公司，后将公司更名为 PureLiFi。其公司主要产业化成果有 2018 年推出的基于 802.11 协议的 PureLiFi（LiFi-ASIC PL0300）芯片，支持 16 用户的全双工传输，毛速率达到 86.4Mbps。同年，PureLiFi 公司着眼将该芯片技术进一步集成并与笔记本电

48、脑或平板电脑等终端设备对接，研发了产品级设备LiFi-XC。LiFi-XC 设备包括终端和网络节点两部分，终端部分由基于 USB 接口的可见光通信插卡和现有移动终端设备组成，网络节点部分主要由内嵌收发芯片的 LED 灯泡组成，该设备支持 Windows、MacOS 和 Linux 等操作系统。2018 年，PureLiFi 展示了首款集成 LiFi 功能的笔记本电脑。苏格兰南艾尔郡 Kyle 学校开设了第一个基于 LiFi-XC 的小型实验网，用于网络数据传输。该网络包含在天花板上安装的 8 个支持 LiFi 的 LED 灯泡，将 LiFi-XC 插卡设17 备与笔记本电脑连接，利用灯光实现高

49、速数据通信。此外，Firefly LiFi公司开发了相关可见光通信设备，其产品SecureLink适用于需要保密会议室等办公环境，该公司于 2019 年被昕诺飞（Signify）公司收购。据 2019 年 9月最新报道，昕诺飞在德甲汉堡足球俱乐部的体育馆 Volkspark 安装了其研发的 LiFi 系统，使汉堡成为世界上第一个使用 LiFi 系统的足球俱乐部，记者可在其上海品茶使用这种新型无线通信方式进行互联网连接。在国际上，基于可见光通信的物联网逐渐受到重视，欧盟于 2019 年 8 月成立Enlightem 实验室，面向国际招募研究人员，主要研究基于低功耗可见光通信的物联网技术与应用。4

50、.1.2 智能交通与车联网 在国际已有的智能交通可见光通信研究中，一般利用交通指示灯、汽车前后灯和路灯作为发射端，以实现车辆与交通指示灯、路基设备以及车辆与车辆之间通信。来自日本的研究团队在这一研究领域较为活跃。2013 年，日本 LAMP SERVE LED 路灯通过实际测试，实现了通信速率为 100 Mbps 的可见光通信系统，有效通信距离可达200 米。2013 年，日本丰田中央研究实验室与静冈大学研究的室外 VLC 系统，实验通信速率可达 15Mbps。该研究团队在 2014 年采用 LED 阵列作为发射端和图像传感器作为接收端，实现了 10 Mbps 的汽车间通信系统。4.1.3 室

51、内定位导航 对于基于可见光通信的定位与导航而言，一般可以对现有灯具和带有摄像功能的移动终端进行改装就可完成系统搭建，是一种相对简单的应用场景。业界比较公认，室内导航定位是可见光通信条件比较成熟的应用场景，一些国际巨头公司开展了这方面的产品化研究，并开展了一定规模的试用。早在 2012 年，美国丹赖安(Dan Ryan)和亚伦甘妮科(Aaron Ganick)开创了ByteLight 公司，研发了基于 LED 的室内定位系统，定位精度为米量级。Bytelight 公司将这项服务与移动终端应用程序 APP 结合，在室内公共场所（如博物馆、车站、机场及商店）实现导航服务。ByteLight 的主要思

52、路通过大范围安装特制 LED 灯具，采用智能手机的摄像头（手机里面已安装 ByteLight 的 APP 程序）作为接收端，通过手机内APP 分析处理光信号以确定终端位置并进行实时路径规划。2013 年，韩国第一企划韩国-复兴实验室(Cheil Worldwide Korea Revival Labs)18 为超市Emart开发出一款智能手机APP，随即推出了利用可见光通信技术的便捷购物导航服务。具体流程为通过安装在房顶上的 LED 灯，利用可见光通信技术向安装在购物车上的移动智能设备发送信号，提供店面地图服务，以实现实时路径导航服务。飞利浦也在倡导可见光通信室内导航定位技术。2015 年，飞

53、利浦在法国家乐福超市的一个旗舰店采用可见光通信方式实现了超市室内导航服务。2017 年，荷兰埃因霍温市中心的万得城电器（MediaMarkt）旗舰店也推出依托飞利浦 LED 照明室内定位系统的“购物导航”应用程序（Store Guide App），帮助顾客借助智能手机快速定位商品位置并提供引导服务。高通 Qualcomm 也开展了可见光定位和导航的相关工作。2016，旗下高通创锐讯(Qualcomm Atheros)与Acuity Brands展开密切合作，联手布建采用Acuity Brands的LED照明灯具和服务以及高通 Lumicast 技术提供各种室内定位功能与服务。高通公司基于VLC

54、 的定位技术可以实现 3D 位置服务，水平误差 10cm，方向性精度在 5 度左右，首次定位时间在 100ms 内，更新频率为 10Hz。4.1.4 水下环境 水下可见光通信大多涉及军事通信领域，规模化应用部署情况鲜见于公开报道。下面介绍几个实验系统研发情况。早在上世纪 70 年代美国就提出海洋水下无线光通信的设想，并启动了相关的研究工作。随后美国开始为海军的舰船、潜艇探索使用这种新的水下无线通信方式，母艇与飞机之间的可见光通信也在 20 世纪九十年代由美国海军进行了测试。2015 年，英国 Sonardyne 公司研制的 Bluecom 系统可以实现通信距离 200m、传输速率 20Mbps

55、 的性能；美国 Ambalux 公司研制的 Ambalux 系统在 40m 范围内可实现10Mbps 的传输速率。日本太阳诱电与东洋机电公司合作，联合研制的基于大功率蓝光 LED 的水下可见光通信系统实现了最高 50Mbps 的速率。日本中川实验室研发的水下可见光通信系统实现了 0.41TFU 浊度下 30 米内的可见光通信实验系统。4.1.5 电磁严控环境 英国爱丁堡大学哈斯教授分别研发了机舱内、医院手术室等电磁严控环境下可见光通信的实验系统。哈斯教授创立的 PureLiFi 公司于 2013 年 10 月向美国一家医疗机构出售第一套 LiFi 设备，价值 5000 欧元，这场交易标志着可见

56、光通信在电磁严控环境下19 的实用商业价值得到认可。2015 年 7 月，美国国家航空航天局与美国可见光通信企业LVX 公司签订了太空行动协议，共同研发 VLC 在航天领域的应用。4.2 国内可见光通信产业化现状 国内可见光通信产业化发展和国际情况具有一定趋同性，在室内光无线网络和室内定位导航等方面发展较快，面向室内应用的可见光通信专用芯片组已经发布，许多公司开展了小规模的室内定位导航试点应用；电磁严控环境下的若干系统已经搭建，并完成了相关测试工作；水下环境也开展了一些理论和实验研究，处在初步探索阶段；智能交通与车联网应用主要以理论研究为主，正在设计初始验证性实验系统。4.2.1 室内光无线网

57、络方面 早在 2008 年，暨南大学陈长缨教授团队开发了一种利用灯光上网的实验系统，速率达到 4Mbps，传输距离为 2.5 米；2010 年，中科院半导体所在上海世博会展示了2Mbps 的灯光上网系统和智能家居系统。此后，国内包括战略支援部队信息工程大学、中国科学技术大学、复旦大学、东南大学、北京大学、清华大学、深圳光启、勤上光电等高校、企业、研究机构均投入力量研究室内可见光无线网。但是，限于产业生态比较复杂与技术成熟度不够高等原因，目前国内室内光无线网络研发状况均处于实验室系统开发与示范试点应用阶段。解放军信息工程大学于 2013 年 3 月牵头承担了国家 863 计划“可见光通信（VLC

58、）系统关键技术研究”，并具体负责了课题三“室内可见光通信与多用户高速接入实验系统”的研究工作，实现了 1 台资源服务器、5 个接入点（Access Point，AP）、15 个终端组成的实验系统，最高速率可达 480Mbps。该研究团队主要着眼于室内光无线通信网络的应用，于 2016 年启动可见光通信专用芯片的研发工作，并于 2018 年 8 月研制成功并发布了可见光通信专用芯片组（CVLC820A、CVLC820D），最高传输速率可达1Gbps，全面兼容主流中高速接口协议标准。该芯片组除了为室内光无线通信网络提供支撑外，还可用于高速无线数据传输、室内定位导航服务、水下高速无线信息传送、特殊区

59、域移动通信等应用场景。2017 年，清华大学基于可见光通信与电力线通信相融合的网络架构，与国网信息通信产业集团有限公司、国网河南省电力公司郑州供电公司合作，在郑州市耿河变电力隧道实施了可见光语音通讯与定位网络工程示范。示范段长度约500米，网络中有通信/定位功能的灯具 51 盏，灯具安装间距约为 10 米。数据传输干线峰值速率最高20 3.0Mbps，灯具数据率 250Kbps，终端距离灯具 3 米以内网络可实时定位移动终端位置，并可支持最多 5 个移动终端同时通话，便携终端接入时间小于 1.5s。2015 年 12 月，中国科学院半导体研究所搭建的人口密集区灯光上网系统通过了工信部中国泰尔实

60、验室的第三方测试，该系统包括3个100M灯光上网接入点和12个10M灯光上网接入点。2018 年 7 月 19 日-20 日，100M 灯光上网系统在深圳市民中心，实时传输 60FPS 的 8K 视频。在室内物联网应用方面，中国科学院半导体研究所团队的可见光智能家居系统于 2019 年通过了信息产业专用材料质量监督检验中心的检测，在灯光照度 20lx 下能实现对多个物联网执行器的遥控。2019 年 5 月，该系统在公众科学日活动上公开发售。在基于可见光通信的室内物联网方面，2018 年天津滨海新区信息技术创新中心联合重庆思柏高科技有限公司共同研究并实现了一种低功耗短距离可见光物联网，最大可支持

61、50625个节点，可与无线网络技术无缝对接，目前正在推动相关标准化的工作。图4-1 低功耗短距离可见光物联网系统 4.2.2 智能交通与车联网 国内很多团队包括中国科学技术大学、复旦大学、清华大学、暨南大学、河南大学等高校研究了可见光通信在智能交通与车联网中的应用技术，但是公开报道多见到的是一些学术文章，从事开发完整实验系统的工作还鲜见报道。中国科学技术大学研究团队采用车灯实现了室外 25Mbps、60 米长距离的静态可见光传输。为了满足室外复杂动态环境下可见光通信的需求，提出了一种采用高速相机和二维转台分别进行单个目标光源检测与光源对准的方法。通过使光源在滑轨上往返移动模拟目标移动场景，并且

62、采用线性轨迹预测方法，初步实验验证了所提出方法的有效性，可支持跟踪角速度为 18/s。复旦大学研究团队使用商用车灯，在室外100米长的静态条件下进行了可见光通信21 的测试。为了满足各种天气工况条件下的可见光通信传输，对晴、阴、雨等天气条件进行了测试，并测试了日间与夜间的区别。在没有雨水影响的夜间，实现了 10 米2.81Gbit/s、50 米 753Mbit/s、100 米 362Mbit/s 的高速车联网通信速率。4.2.3 室内定位导航 在基于可见光通信的室内定位导航领域，华策科技公司、全电智领公司、清华大学、解放军信息工程大学、暨南大学、TCL 等团队开展了相关研究。2014 年，深圳

63、洲明科技公司与珠海华策科技公司合作推出了基于 LED 灯光通信的U-Beacon 定位系统，开发了手机上的“易逛”软件，定位精度可达到 1 米以内。2018年，珠海华策科技公司开发的基于可见光定位的智能购物车在深圳沙井天虹试点商用，2019 年升级系统在北京天虹新奥店试点商用。2015 年开始，北京全电智领科技有限公司相继推出了基于专用传感器的智能手机博物馆展览讲解系统、基于手机摄像头传感器的精准定位系统。2018 年以可见光网格信标为基础，融合惯导技术、运动积分、磁场偏角纠正、运动模式智能运算等技术，实现了更加精准、稳定、平滑的室内定位应用，定位精度达到亚米级。目前该系统已经在物美超市、华润

64、集团、海淀科技中心、海淀美术馆、中粮广场地下停车场、京东方集团地下停车场等场景投入运营。东莞信大融合创新研究院与解放军信息工程大学也开发了基于可见光通信的定位产品，终端使用现有商用 PAD 改造而成，并已于 2017 年在河南省焦裕禄博物馆投入试点运行。TCL 半导体光源研究院与中山大学、伟志集团公司联合成功推出可见光高精度定位系统，基于光源阵列测量技术，定位精度达到厘米级。2015 年以来，该系统在卜蜂莲花、友阿家润多、昌大昌等多个30005000平方左右的大型超市展开商业试点应用。暨南大学基于市售 LED 灯和商业手机研发了基于可见光通信的室内定位导航系统，系统的平均定位精度为 7.5 厘

65、米，平均定位时间为35.7毫秒，可支持行人、行驶车辆、室内机器人、智能运载装备等物体在移动速度不超过 5 米/秒（18 公里/小时）下的实时定位导航。已经建设了包括中心机房、企业办公区、暨南大学办公楼、暨南大学地下停车场等四处场景的应用示范，可以支持车辆泊车导航等功能。22 图4-2 暨南大学研制的地下停车场导航系统 4.2.4 水下环境 国内很多高校开展了大量的水下可见光通信研究工作，主要包括：中国海洋大学、浙江大学、清华大学、华中科技大学、电子科技大学、暨南大学、解放军信息工程大学、复旦大学等。研究范围主要集中在海水光学特性测量、信道模型以及不同水质下的系统设计等。已开展的实验研究主要聚集

66、在鱼缸、游泳池等测试环境下，利用蓝光 LED 光源，在水中加入氢氧化铝等试剂模拟海水状态，开展传输速率、距离等的测试。总体而言，目前水下可见光通信的产业化应用鲜见公开报道，应还处在理论探索和实验验证阶段。4.2.5 电磁严控环境 公开报道的电磁严控环境下的应用主要在煤矿井下环境开展。2015 年，解放军信息工程大学与河南省平顶山市政府、平煤神马集团等在平顶山开展煤矿井下新型综合信息系统应用研究。基于可见光通信的全 IP（Internet Protocol Version6）煤矿井下综合信息系统采用可见光通信作为无线通信方式，与宽带电力线通信、光纤通信等有线通信方式紧密结合，实现语音实时通信、人

67、员定位导航、高清视频监视、设备远程控制、疏散警报等语音泛在播报、危机警报/传感数据/人员位置等信息即时回传等功能。4.3 本章小结 本章主要阐述了可见光通信国际国内产业发展现状，国内发展情况和国际具有一定趋同性。目前尚未形成大规模产业化的应用，只是在部分应用场合开展了一些试点运营，本章主要介绍了室内光无线网络、智能交通与车联网、室内定位导航、水下环境和电磁严控环境等产业发展情况。23 第五章 可见光通信关键技术 5.1 可见光通信信道模型 20 世纪初，可见光通信的概念首次被提出，人们利用发光二极管（LED）作为光源，在实现照明的同时进行通信。与其他光源（如白炽灯、荧光灯等）相比，白光 LED

68、具有更高的调制带宽和响应灵敏度。白光 LED 灯，可以结合照明和数据传输的特性，促进了可见光通信技术的发展。5.1.1 LED 工作特性（1）调制特性LED 是可见光信道的重要组成部分，其频率响应特性通过有效带宽影响 VLC 系统的传输性能。根据光谱组成特性，LED 可分为两大类：i.蓝光 LED 发出的蓝光激发荧光粉发出黄绿光，与透射的蓝光混合产生白光。由于黄色荧光粉响应较慢，LED 调制带宽受限。ii.红、绿、蓝三色LED芯片混色产生白光。这种混合型白光LED具有较高的光谱带宽，但考虑到成本和电路复杂度问题，未广泛应用于 VLC 系统设计。LED 的调制特性，主要体现在最大调制速率，一般用

69、 3dB 带宽来描述。目前实验所使用的 LED 以第一类 LED 为主，频率响应如下图 5-1 所示。由于荧光粉响应速度的限制，此类 LED 的 3dB 带宽一般只有 1-10MHz，而单色 LED 的带宽可以达到10-100MHz。由于荧光粉激发时间相对较长，LED 的调制带宽不高，白光 LED 应用于通信时，可通过在光电探测器件前端加蓝光滤光片，以提高通信带宽。与此同时，滤波片带来了光功率的衰减，可以通过增加透镜来增强聚焦接收的光束。24 图5-1 白光LED频率响应（2）光谱特性目前市场上商用的白光 LED 以第一类白光 LED 为主，光谱分布如图 5-2 所示。此LED 芯片及荧光粉激

70、发的光谱分布在 410nm-760nm 内，LED 芯片的峰值波长处于蓝光波段内，450 nm 荧光粉激发的光谱在 490 nm-760nm。图5-2 光谱分布（3）伏安特性LED实际上是一种特殊的二极管，与二极管具有相似的伏安特性曲线，图5-3显示了其两端的电压和产生的电流间的关系，反映了LED灯的转换效率。从图5-3中可以看出 LED 具有一定的开启电压，当电压超过某个阈值后，LED 进入工作区，此时电流和电压可近似认为成正比关系。在搭建可见光通信链路时，需要提供合适的电压的驱动电路，并且保证 LED 正常照明时的光照强度。25 图5-3 伏安特性曲线（4）电光转换特性在 LED 的可见光

71、通信中，P-U 曲线特性对通信链路的设计，尤其对于高阶调制和多载波调制方式，具有重要的影响，反映了电光转换效率。图 5-4 为普通商用 LED 的P-U 曲线，可以看出其具有线性区和非线性区，LED 灯的线性区为 25V30V，非线性区为 23V25V，驱动电压最大不超过 31V，以免损坏 LED 灯。在实际使用时，需要选择最佳工作点与最佳的信号动态范围来尽量减小非线性的影响。图5-4 P-U曲线 描述 LED 非线性的模型，可以被分为两大类：记忆性模型和非记忆性模型。非记忆模型主要采用非记忆多项式模型，平滑的瞬时非线性传递函数可以由泰勒级数展开。由于 LED 的频率选择性衰落，记忆性不可忽略

72、。沃尔泰拉（Volterra）模型、记忆多项式模型、Wiener 模型、Hammerstein 模型等为常用的记忆性模型。沃尔泰拉级数的系数个数随非线性级数和记忆长度的增加呈指数增长，因而最大的限制就是其复杂度。为了降低其复杂度，简化的沃尔泰拉级数形式被提出，记忆多项式模型就是其中一种。Wiener 模型也是沃尔泰拉模型的一个子集，由线性时不变系统和无记忆非线性系统组成，信号先经过一个线性时不变系统模块再通过无记忆非线性模块。26 Hammerstein 模型刚好与此相反，是先通过一个无记忆非线性模块，再经过线性时不变系统。Hammerstein 模型和 Wiener 模型有相同的复杂度，但在

73、某些特定的模型中，Hammerstein 模型复杂度会 Wiener 模型更低1。非线性模型还分为静态和动态模型。静态模型是指不考虑非线性随着时间、温度等的改变。在 VLC 的应用中，会有调光控制的需要；不同的光照水平导致温度变化，进一步带来非线性动态变化。目前，大部分的研究基于静态模型的，忽略温度对其的影响。LED 的调制能力可以由图 5-4 所示 P-U 曲线描述，LED 的调制深度 m 定义为：0UmU(1-1)其中0U为偏置电压，U为峰值电流和偏置电压之差。光调制深度是对交流信号与直流偏置间关系的描述，调制深度越大，光信号越容易被探测到，所需的光功率越低。目前大多数实验，可以达到百分之

74、几到十几的调制深度度。但并非调制深度越大越好，调制深度高可能会导致调制带宽降低，影响系统性能。5.1.2 信道建模 在室内可见光通信中，通信链路格局、路径损耗、多径色散产生的时延等都会影响通信信道的特性。这些信道特性决定了如调制、编码技术、发射功率、接收灵敏度等方面的通信系统设计。此外，发射光束形态、接收滤波器、接收面积及接收视角等条件参数，也需要参考信道特性来确定。因此，室内可见光通信信道的特性分析是实现高速率、高可靠的通信链路不可缺少的一部分。在室内可见光通信系统中，LED 固定在天花板上，在提供照明的同时进行数据传输。直射式视距链接和漫射非视距链接是它具有的两种通信链路形式。在直射式视距

75、链路中，接收端和发射端是对准的，较高的功率利用率是这种链路的优点。但同时也具有局限性，一旦传输路径中出现障碍物，通信就会阻断。因此，这种方案适用于无障碍物下的点对点通信。在漫射非视距链路中，接收机要求较大的视场角，以此来减小阴影效应的影响，降低收发端对准的要求，但是链路中的多径效应会限制信号传输速率。根据场景不同，信道模型可以分为直射模型、多次反射模型、阵列光源模型和多27 色光源模型。（1）单次直射模型在可见光通信中，当接收机和发射机之间没有障碍物阻挡，那么通常只考虑视距链路，即使用单次直射模型描述该场景下的光信道。在单次直射模型中，来自光源的所有光信号被认为在同一时间到达接收机处。由于发射

76、机与接收机的距离远大于接收机中光电探测器的尺寸，通常认为光电探测器表面各处的接收光强近似相等，信道增益由光电探测器的器件特性和光源的朗伯发射模式决定。图5-5 可见光通信直射模型2（2）多次反射模型当接收机和发射机之间视距链路被障碍物阻断时，LED 发出的光通过室内墙壁或障碍物的多次反射，即非视距链路，被接收机探测到。此时，常用多次反射模型来描述非视距链路。在反射模型中，认为上一个反射点为服从朗伯模型的假设光源，认为下一个反射点为接收机，光源与接收机间的信道增益可由直射模型获得。因此，第k次反射的信道冲击响应，由前 k-1 次反射的信道冲击响应获得，然后对不同反射次数的信道冲击响应相加，最终获

77、得多次反射模型的信道冲击响应。图5-6 可见光通信多次反射模型2 28（3）阵列光源模型单个光源由于覆盖区域有限，常常使用多个光源组成阵列，来实现无缝照明覆盖。当阵列光源中光源颗粒的间距远小于阵列光源与接收机间的距离时，整个阵列光源可等价于单个点光源。此时阵列光源与接收机间的信道模型，可简化为单次直射模型或多次反射模型。但是，在该模型中阵列光源中每个光源由于位置不同带来的时间色散被忽略。若需要对阵列光源信道进行准确建模时，需要根据直射链路模型或多次反射模型，获得阵列光源中每个光源与接收机间的信道冲击响应，最终对所有光源与接收机间的信道冲击响应求和，获得系统的信道冲击响应。图5-7 阵列光源（4

78、）多色光源模型多色光源组成的可见光通信系统中，接收机对不同颜色可见光的光电转换效率不同。不同颜色的可见光在室内墙壁或障碍物的反射率也有所不同。在对多色光源组成的可见光通信系统进行建模时，对于每个不同颜色光源，根据直射链路模型或多次反射模型，计算光源与接收机之间的信道冲击响应，最终得到系统的信道冲击响应。图5-8 多色光源 各种可见光信道模型基本可以由上述四种信道模型描述，运用这些建模方法，可以获得贴近实际的信道参数。相关研究指出，到达接收端的总功率中，LOS直射链路的功率可占95%左右3。当只考虑直射链路下的信道特性时，信道增益可看做一个衰减系数，常用朗伯辐射模型进行计算，如图 5-9 所示。

79、29 21cLEDAPD图5-9可见光空间传输模型 2(1)cos()()()cos(),0(),20,mscopcA mTghtd(1-2)其中 A 为 APD 探测面积，()sT为光学滤波器因子，()g为光学透镜增益。220,().,0sincccgn(1-3)在室外交通环境中，由于天气等因素会造成光功率的衰减，需要对上式做一些修正，可在上述()opht上再乘以一个和天气有关的衰减系数4。此外，对信道噪声的建模也是信道模型中十分重要的一部分。对于发送功率为TP的可见光通信信号，其接收功率RP和信号功率S为 022RTRPHSPrP(1-4)其中，0H为信道功率传输模型，r为 PD 响应度。

80、则噪声功率即可表示为 22222222232381622shotthermalshotRbgthermalkkmNqrIkkP BqITAI BTA I BGG(1-5)式中，2shot表示散粒噪声，2thermal表示热噪声。30 5.2 调制技术 可见光通信系统的调制带宽十分有限，商用 LED 灯的 3dB 带宽一般只有几 MHz。除了从 LED 结构、驱动链路的设计上考虑，选择合适的调制方式也可提升传输速率。从实现复杂度角度，开关键控（On Off Keying，OOK）调制、脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）等具有较大的优势；从频谱利用率和克服多

81、径效应上，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）调制及无载波振幅相位（Carrierless Amplitude Phase Modulation，CAP）调制表现最佳；在 IEEE 802.15.7 中提出了色移键控（Color Shift Keying，CSK）来提高数据速率，这是其他调制方案达不到的5。表 5-1 为近几年可见光通信不同调制方式下的传输实验统计。表5-1 可见光通信系统传输实验统计2 LED 调制方案调制方案 速率速率 距离距离 研究单位研究单位 白光 OOK-NRZ 1022b/s 2000m 可见

82、光通信联盟 白光 OOK-NRZ 40 Mb/s,BER-6102m 牛津大学 蓝光 OOK-NRZ 80 Mb/s,BER-6100.1m 牛津大学 白光 OOK-NRZ 100 Mb/s 3m 中川实验室 蓝光 OOK-NRZ 100 Mb/s,BER-9100.1m 三星电子 蓝光 DMT-QAM 200 Mb/s,BER-3102m 弗朗霍夫研究所 白光 DMT-QPSK 220 Mb/s,BER-3101m 牛津大学 蓝光 DMT-QAM 513Mb/s,BER-32 100.27m 西门子 RGB DMT-WDM 803 Mb/s,BER-32 100.12m 弗朗霍夫研究所 RG

83、B DMT 806 Mb/s,BER-32 100.08m 弗朗霍夫研究所 RGB OFDM 875 Mb/s,BER-33.8 100.66m 复旦大学 蓝光 DMT-QAM 1 Gb/s,BER-31.5 100.1m 圣安娜高等研究学院 白光 MIMO-OFDM 1.1 Gb/s,BER-32 100.05-0.12m 牛津大学 50um 氮化镓 OFDM 3 Gb/s,BER-32 100.005m 爱丁堡大学 RGB QAM-WDM 3.25 Gb/s,BER-33.8 100.01m 复旦大学 RGB QAM-WDM 3.25 Gb/s,BER-3100.1m 圣安娜高等研究学院

84、31 白光 CAP 1.1 Gb/s,BER-3100.23m 国立交通大学 RGB DMT-WDM 3.4Gb/s,BER-3100.1m 国立交通大学 5.2.2 单载波调制 脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）和脉冲位置调制（PPM）是通过脉冲的幅度和位置进行信息调制。脉冲幅度调制是一种常见的调制方式，信息调制于脉冲幅度，如图 5-10 所示。调制系统设置强度等级，LED 不同的光强表示不同的幅度。工作电流的大小以及工作温度会影响 LED 的光色，因而在 MPAM 调制中，不同驱动电流导致的色温漂移是需要考虑的问题6。开关键控（OOK）可以看作 2

85、PAM，有两种幅度值，每个符号携带 1bit 信息。OOK 调制方式简单，实现复杂度低，可作为低速可见光通信系统的候选方案。脉冲位置调制（PPM）是通过将一个符号周期分成若干个时隙，在不同时隙传递脉冲来表示不同的信息，如图5-11所示。PPM信号中没有直流偏置，与OOK相比，平均功率低7，且没有低频干扰8，但带宽效率不高9-10。由于脉冲位置的正确检测需要进行严格的符号同步，将带来系统复杂度的增加1112。为了增加同步信息，可以将 4B6B编码与PPM 结合使用13。此外，这两种调制技术与均衡技术相结合，可以有效对抗符号间干扰，即PAM调制技术与频域均衡技术相结合以及PPM调制技术与判决反馈均

86、衡相结合。图5-10 PAM信号 图5-11 PPM信号 5.2.3 多载波调制 正交频分复用（OFDM）是典型的多载波调制技术，可以应用于可见光通信，实现32 高速数据传输，如图5-12所示。由于OFDM 信号并行传输，码元持续时间较长，能有效抵抗符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI）。相比于 OOK 和 PPM，OFDM 具有较高的频谱利用率。在传统的无线通信中，信号可以是双极性复信号，但可见光通信系统采用 IM/DD（Intensity Modulation/Direct Detection）的方式，要求传输信号是非负实信号。因而满足 VLC 系统的 O

87、FDM 传输方式被提出：DCO-OFDM（DC-biased Optical OFDM）14，ACO-OFDM（Asymmetrically-clipped Optical OFDM）1516，ADO-OFDM（Asymmetrically Clipped DC Biased Optical OFDM），X-OFDM（Mixed OFDM）。DCO-OFDM 采用快速傅里叶反变换（Inverse fast Fourier transform，IFFT），将频率数据转换为时域数据。为了使信号变成单极性，采用在交流信号上叠加直流偏置，不足之处是会导致发送功率的增加，需要寻求最优的直流偏置，增加了系

88、统的计算复杂度。ACO-OFDM 调制方式，不需要直流偏置。通过子载波映射时，只在奇数下标的子载波上调制数据，偶数下标的子载波不调制数据，OFDM 信号的负值部分直接削去，得到单极性的 OFDM 信号。可以证明限幅不会造成传输数据的丢失，限幅产生的噪声只存在于偶数子载波，奇数子载波上的数据只发生幅度的变化，幅度变为原来的一半。ACO-OFDM 调制频带利用率较低，因为数据也要满足共轭对称性，只有四分之一的子载波可进行传输数据。使用奇数子载波的限制，使得需要进行比特分配的系统无法使用该调制方式。图5-12 OFDM信号示意图 ADO-OFDM 则结合了 ACO-OFDM 和 DCO-OFDM 两

89、种方式，即奇数子载波调制ACO-OFDM 信号，偶数子载波调制 DCO-OFDM 信号17。33 X-OFDM 是一种新型的 OFDM 波形，分为两类。第一类 X-OFDM 波形通过将奇数子载波与偶数子载波分别做 IFFT 变换后，将得到的四组对称部分各取出一半，两两相加得到。而第二类 X-OFDM 波形则是将四组对称部分中的三部分两两相加，最后一部分独立传输。如此，对于相同长度的符号，X-OFDM相比ACO-OFDM调制方式，频谱效率更高。与 ACO-OFDM 相比，PAM-DMT 的系统性能基本一致，但频带利用率更高。在相同的 SNR 和调制阶数下，模拟方式多载波复用的性能最差，ACO-O

90、FDM 方式性能最佳。从子载波使用率上看，模拟方式多载波复用使用了全部调制子载波，DCO-OFDM和 PAM-DMT 使用了 1/2 的调制子载波，PAM-DMT 只使用了虚数维度，ACO-OFDM使用了 1/4 的调制子载波。在相同子载波数目下，想要达到相同数据传输速率，采用ACO-OFDM 方式的调制阶数需为采用 DCO-OFDM 方式和 PAM-DMT 方式阶数的 2 次方，模拟方式多载波复用阶数的 4 次方。PAM-DMT 适用于调制阶数不高时；随着调制阶数的增加，DCO-OFDM的优势逐渐显现。而两类X-OFDM波形均无需直流偏置，因而相比于ACO-OFDM有更好的PAPR表现，此外

91、，在功率效率上，两类X-OFDM的表现均优于 ACO-OFDM，且第二类 X-OFDM 优于第一类 X-OFDM。所以，对于带宽受限系统，可以通过增加发射功率、提高调制阶数来提升性能，可以优先考虑 DCO-OFDM 方式或 X-OFDM 方式；对于功率受限系统，可以使用ACO-OFDM 方式、PAM-DMT 方式或者 X-OFDM 方式，以减小发射功率和调制阶数。OFDM-VLC 系统结构框图如图 5-13 所示。在发送端，为满足光路传输需要，数据经过 QAM 映射后，构造 Hermitian 对称，通过 IFFT 产生实 OFDM 信号。经过数模转换器（DAC）变换生成模拟信号，若采用 DC

92、O-OFDM 方式，可以通过 Bias-Tee 在交流信号上叠加一个直流偏置，最后加载于 LED 进行发送。在接收端，光电二极管（PD）将光信号转换成电信号，通过放大器、滤波器等后，用模数转换器（ADC）进行采样,完成信号同步后进行 FFT（Fast Fourier Transform）、信道均衡等数字信号处理，相应的频域数据被解调出，最后通过 QAM 反映射，得到接收数据的比特流。34 图5-13 OFDM-VLC系统框图18 5.2.4 无载波调制 20 世纪 70 年代，贝尔实验室提出无载波幅度相位调制（CAP），这种高阶调制方式本质上是变种的 QAM 调制。相比 QAM 调制，CAP

93、调制不需要本地晶振，只需要在系统中加入数字 FIR 滤波器即可，称为无载波幅度相位调制。CAP 的调制和解调只需一对滤波器，同向滤波器和正交滤波器满足时域正交条件，组成一对希尔伯特变换对，因此具有较低的复杂度。与 OFDM 相比，CAP 不需要 FFT 和 IFFT 操作，且具有较小的峰均比（Peak to Average Power Ratio,PAPR）19。与 PAM 调制相比，实现传输相同比特速率情况下，CAP 信号处理速度为 PAM 一半，因此硬件实现复杂度更低20，因为 CAP 是二维调制，而 PAM 是一维调制。CAP 调制应用于可见光通信，有助于系统频谱和能量效率的提升21-2

94、2。基于采用IM/DD 的可见光通信系统，要求信号为非负实信号，利用 DCO-CAP 及 Flip-CAP 和U-CAP 三种调制方式，将双极性的实值信号转换为单极性正值信号。单极性处理的方法一般有以下三种23：1）DCO-CAP：在交流信号上添加直流偏置，仍为负值的信号可以通过做限幅处理变换为单极性信号；2）Flip-CAP：将一帧信号扩展为两帧，第一帧为“正模块”，保留正值，负值归零，第二帧中将负值翻转、正值归零，称之为“负模块”；3）U-CAP：对信号进行极性编码。用两位编码来表示一位时域值，一位是数值位，即原信号的绝对值，另一位是符号位，可以用 0 所处为位置来表示。例如，0 位于数值

95、位后面，代表正值；0 位于数值位前面，代表负值。被编码后的信号进入数模转换35 器（D/A）变为模拟信号，加载到 LED 上进行传输。CAP 调制技术原理框图如图 5-14 所示，利用两个正交的滤波器将两组不同的数据流合并传输。数据经过 QAM 星座图映射后，进行上采样，转化成 I、Q 两路实数信号，I、Q 两路数据流分别通过对应的同向滤波器和正交滤波器进行成形滤波，最后两路数据在时域进行叠加。与 OFDM 相比，CAP 具有以下优势：由于将信息调制到两路正交信号上，调制简单；发送信号为两路之和使其峰均值比低；不需要完成 FFT/IFFT 计算，系统复杂度低。不足之处在于，CAP 的抗频率选择

96、性衰落能力不高，均衡器受信道变化影响较大。图5-14 CAP调制原理框图24 5.2.5 颜色调制 颜色调制包括色移键控（CSK）和颜色强度调制（Color Intensity Modulation，CIM）等，是利用多色光源不同波长的光同时携带多个数据流来获得系统数据率的提升。（1）CSK 调制在 VLC 研究早期，白光 LED 主要是通过单色 LED 芯片加荧光粉来合成白光。这种白光 LED 制作简单，价格便宜，被普遍使用。不足之处是，白光 LED 的带宽受限于荧光粉。第二类白光 LED 就是 RGB LED，这种 LED 通过封装红、绿、蓝三色 LED 芯片，将发出的红、绿、蓝三色光混合

97、成白光。RGB LED 由于没有荧光粉参与发光，发光状态转换速率更快，使得VLC系统有更高的传输速率。与荧光LED相比，RGB LED最大的缺点就是价格昂贵，但是随着工艺和技术的发展，它的制作成本正逐渐下降。对 RGB LED 中的三种颜色实现单独控制，是 CSK 调制方式实现的基础。36 CSK 作为第三种调制方式，成为 IEEE 802.15.7 近距离可见光通信标准，最高速率为 96Mbps。CSK 调制是使用 RGB LED 光源中三种颜色的强度来实现的。CSK 取决于颜色空间色度图，如图 5-15 所示。色移键控系统的示意图如下图 5-16 所示。信号经过预均衡输入到 RGB 三种

98、LED 灯中，混合 RGB 3 色，LED 灯输出更加均匀的颜色。CSK 不同于传统的基于强度调制的 IM/DD 调制方式，不同的符号通过不同的颜色进行表示，每个符号都由一组色度值来表示。CSK 系统的调制过程包括两个部分。首先是颜色编码（Color Coding），数据流中的每个符号按照星座图映射关系转换成相应的色度值。针对于每一种颜色的色度值，计算得到其对应的三色刺激值。在色度图中，在选定的三点所构成的三角形内部其余颜色，均可通过选定的这三种颜色按照一定比例混合出来。RGB LED 内部含有三原色，通过计算得到各自的发射功率。信号经过信道，进行滤波输出后，被 3 个接收器接收，通过符号检测

99、估计出发送符号2526。LED中不同颜色光按不同比例混合后，可以获得不同颜色的光。室内照明要求是一定显色度的白光，也有一些场合会要求照明光偏红色或者偏蓝色。在通信的情况下，信号变化的速度远高于人眼对颜色变化的速度，故在星座图的设计时只需对符号 RGB 3 色的平均值进行限制即可。图5-15 CIE 1931颜色坐标 37 图5-16 色移键控系统27（2）CIM 调制CIM 又称光学相机通信（Optical Camera Communication，OCC）或图像传感器通信（Image Sensor Communication，ISC），与前面的调制方式不同，它适用于采用LED 阵列光源或屏幕

100、发射，并通过 CMOS 传感器接收光信号的可见光通信系统。由于发送端和接收端都是阵列，CIM 调制的可见光通信系统实际上是多维度 MIMO 通信系统。考虑系统在 RGB 色域上分别支持(,)RGBLLL阶强度的信号调制，共有()RGBLLL阶调制强度，构成频带效率为2log Mbit/s/Hz的输入信号。CIM-MIMP系统框图如图5-17所示。在发射端，将同步序列和训练序列经串并联转换后插入数据流，再由单片机将调制后的信号加载到 LED 阵列中。在接收端，智能手机的图像传感器用于连续捕获图像。由于智能手机的计算能力有限，捕捉到的图像会被无线发送到云端进行各种处理。连接云和智能手机的无线通道可

101、以是 WiFi 或蜂窝网络链接。在云计算中，数据符号经过霍夫圆检测、透视校正、信号检测、帧同步和训练序列检测后实时解调。然后，云将解调信息无线发送到智能手机，智能手机实时显示解调信息。通常 OCC 系统的传输速率较低，但是采用高分辨率的 CMOS、传感器，OCC 系统的传输距离可以达到公里级。此外，由于收发端器件都是不以通信作为目标的，它们各自的电气特性及器件噪声将较大地影响通信系统性能。38 图5-17 CIM-MIMP系统框图28 5.3 编码技术 编码的内容主要包括三个方面：i.差错控制编码（Error-control Coding），又称为信道编码（Channel Coding），保证

102、数字信息传输和处理的可靠性；ii.信源编码（Source Coding），提高信息传输、存储处理的有效性；iii.加密编码（Data Encryption），目标是增加数字信息传输、存储的安全性。为了提高通信质量，在无线可见光通信中也需要编码技术。在可见光通信中，信道编码需要满足带宽要求和复杂性要求，提高编码增益，保证传输误码率使编码效率达到最佳，能纠正随机错误、突发错误以及两者混合的错误。现有研究已经将常用的信道编码如 RS（Reed Solomon）码、卷积码、Turbo 码和LDPC（Low Density Parity Check，LDPC）码等应用到可见光通信中，也有研究联合 RS码

103、和卷积码，形成级联码，作为可见光通信的信道编码29。从纠错性能来说，Turbo 码和LDPC码优于RS编码和卷积码；从实现角度看，RS编码和卷积码的解码器结构复杂度低，运行速度快，实时性好，能够满足可见光通信的要求3132。可见光通信标准IEEE802.15.7 的 PHY I 层规定信道编码：外码为卷积码，内码为 RS 码的级联码；PHY II 层规定的信道编码为 RS 码，PHY III 层的信道编码是 1/2 RS（64,32）码。39 表5-2 IEEE 802.15.7 物理层标准13 Modulation RLL code Optical clock rate FEC Data r

104、ate Outer code(RS)Inner code(CC)OOK Manchester 200kHz(15,7)1/4 11.67kb/s(15,11)1/3 24.44 kb/s(15,11)2/3 48.89 kb/s(15,11)none 73.3 kb/s none none 100 kb/s VPPM 4B6B 400kHz(15,2)none 35.56 kb/s(15,4)none 71.11 kb/s(15,7)none 124.4 kb/s none none 266.6 kb/s 为了使可见光通信系统在各种典型的应用场景、不同谱段下获得相应的最佳性能，除了考虑 BCH

105、/Turbo/LDPC 等编译码方法其错综复杂的交织机理和对编码调制系统性能影响，还需要综合传输距离、误码性能、吞吐率、延时、复杂度等多方面在可见光通信系统中的要求，通过最优化理论得到包括最优调制和编码方式的选择、星座图旋转角度的大小、码字的构造等整体最优的自适应编码调制方案。在室内可见光通信中，关于信道编码，尚未形成相应的标准，信道编码影响着可见光通信系统的传输能力、LED 非线性的补偿能力。由于 LED 由多灯芯叠加传输的结构，LED 灯芯数目不同、传输效率差异，对信道编码提出了码率自适应调整、编码增益大等要求。以下为两种适合 VLC 前端编码要求的编码方式。i.二元域多速率 Hadama

106、rd 变换陪集码。基于 Hadamard 变换的陪集编码方式，进行系统各灯芯的编码速率自适应改变来适应电信号处理过程，从而提升系统的有效性。接收端基于逻辑似然率的软输入软输出的迭代译码方式，进一步提升系统的可靠性。ii.二元域块 Markov 叠加传输块马尔科夫叠加传输 BMST（Block MarkovSuperposition Transmission）方式33。分组马尔科夫叠加传输是一种新型的高性能传输技术，思想是利用信息论中多用户场景下叠加编码的思想，将其应用于单用户的点对点场景中，也就是利用简单码或者增益很大的好码。二元域块和 Markov 叠加叠加传输具有很多优势，如性能下界简单，

107、码率在线可调，多元码适用，多种信道和多种调制方式适用等。因而，可以基于以上编码方式研究适用于可见光通信技术的编码方式。在线路编码方面，mBnB码是一种高效率的冗余二进制分组码，具有功率谱形状较40 好、直流分量小、没有基线漂移问题、提供可靠的误码监测和字同步手段等优点。关于室内可见光通信的分组编码方式，需要通过进一步研究以提高系统性能。5.4 均衡技术 白光 LED 的调制带宽窄的问题严重限制了信号传输速率及信道容量，成为可见光通信发展的瓶颈。为了克服 LED 的低通特性造成的带宽限制，学者们进行了多方面的研究。均衡技术从实现方法可以分为数字均衡和模拟均衡。数字均衡为使用数字信号处理的方法完成

108、均衡，而模拟均衡则是进行模拟均衡电路的设计。从在通信链路实现的位置看，可以分为预均衡和后均衡。预均衡是在发送端对 LED 频响特性进行预均衡，后均衡则是在接收端进行干扰的均衡。当通信链路中所使用的器件确定时，LOS 链路的信道响应也是确定的。因此，根据己测得的信道响应，预均衡算法可以按照要求选定。现有的预均衡技术有两种设计方案：使用模拟电路补偿信号的衰减或者利用数字信号处理模块设计符合要求的 FIR滤波器34。后均衡技术，又分为时域均衡和频域均衡。时域均衡从时域的冲激响应考虑，使整个系统的冲激响应（包括均衡器），满足无符号间干扰的条件；频域均衡从频域响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的总传输

109、函数，满足无失真传输条件。系统接收端的自适应均衡一般是用有限长滤波器来实现的。滤波器根据输出与输入的关系，可分为线性和非线性均衡。线性均衡结构下，滤波器的输出仅与输入信号存在线性关系，例如线性横向均衡器和线性格型均衡器。非线性均衡结构下，滤波器的输出与输入信号存在非线性关系，例如判决反馈均衡器与最大似然序列均衡器。在线性横向均衡器上加入反馈均衡成为判决反馈均衡器（DFE）22，而基于最大似然准则（MLSE），把信号空间中与其距离最小的信号序列判为输出的为最大似然序列均衡器。在信道频率响应比较平坦，码间干扰较小的情况下，可以优先选用复杂度较低的线性均衡器；在非平坦信道或者码间干扰比较严重的信道，

110、采用非线性均衡器效果更佳。5.4.1 线性均衡器 线性均衡器中三种比较经典的算法，包括维纳滤波（Wiener）、归一化最小均方误差方（NLMS）和最小递归二乘法（RLS）35。41 Wiener 是一类基于矩阵运算的线性最优离散滤波器，实现复杂度很高。均衡的目标是使得发送信号与均衡后信号的均方差误差最小：2min()()2()()()()()()()TTHTeeeE J nE sns n hn x nhn x n xn hn(1-6)对上式求偏导后，可以直接推导出均衡器的矩阵形式如下。1()exxsxh nRR(1-7)其中xxR是接收信号的自相关矩阵，即均衡器输入信号的自相关矩阵，sxR是期

111、望信号和输入信号的互相关系数。NLMS，本质是一种性能改良的 LMS 均衡器，算法简单，易于硬件实现，并且克服了传统 LMS 算法中，当输入向量变大时的误差放大的缺点。NLMS 是归一化的 LMS算法，梯度下降步长向量相对于抽头输入向量的平方欧式范数进行了归一化，可以NLMS 看做变步长参数的 LMS。对于不相关数据和相关数据，NLMS 都要比 LMS 有更快的收敛速度。均衡系数的更新，采用的是反向传播算法梯度下降原理，即在每一个位置求出当前位置的代价函数的梯度，每次都顺着坡最陡的方向往下走一步。(1)()()eeh nh nJ n(1-8)其中()eh n为均衡抽头向量，为步长，()J n误

112、差梯度。RLS 算法利用了数据相关矩阵的逆，相当于对输入数据进行了去相关，本质是最小二乘法的迭代求解形式，收敛速度较 LMS 快一个数量级，这些性能的改善以算法的复杂度为代价。和 NLMS 算法一样，RLS 也是迭代算法，但是 RLS 和 NLMS 最大的区别是 RLS 的代价函数是均方误差的指数加权和。22111min()()()()()nnn in iTeiiJ ne is nhn x n(1-9)其中为遗忘因子，是误差函数加权因子，引入它的目的是，以不同的权值n i来表示不同时刻的误差，越接近当前时刻，权值越大。因此对于变化较快的输入信号，该算法具有较好反应能力，且具有较快的收敛速度。取

113、值范围为01，越接近 1 信号越平稳，越小适应非平稳信号的能力越强。RLS 和 NLMS 算法的不同之处在于，RLS 是基于最小二乘法的快速迭代算法，而LMS/NLMS 是基于随机梯度下降思想。随机梯度下降及高斯牛顿下降法收敛速度慢，因此RLS比LMS/NLMS具有更快的收敛速度，NLMS由于归一化因子的存在，比LMS收敛得更快。42 5.4.2 非线性均衡器 DFE 是一种非线性结构均衡器，有较好的 ISI 去除能力，目前已在无线通信中得到了广泛的应用。一个典型的自适应 DFE 均衡器结构如下图 5-18 所示，它是由前馈结构和后馈结构两部分构成，两者本质是两个横向的均衡器，输入的符号和反馈

114、回来的判决后的符号作为均衡器的输入，构成环路。前馈结构用于去除信道引入的 ISI，后馈结构用于后向符号引起的ISI。VLC信道是缓慢变化的，故采用的是一个自适应的DFE均衡器器，由于系数更新模块的存在，均衡系数随着误差的变化而自适应调整36。图5-18 自适应DFE均衡结构示意图36 图5-19 不同数字均衡算法下的星座图36 Volterra 级数是一种泛函级数，可以看作是一个带有记忆能力的 Taylor 级数，经常被用于时不变非线性系统的建模和分析。在可见光通信中，可以在信号处理过程中引入 Volterra 级数，来处理 LED 的非线性高次谐波失真。Volterra 级数利用核函数与系统

115、43 输入的高阶卷积级数获得系统的输出，将非线性系统的辨识问题转化为如何求解各阶Volterra 核系数的值，进而可以利用线性系统中所用到的方法来解决非线性系统中的问题。以上提到的自适应均衡技术，均为带训练序列的均衡技术，但训练序列会占用部分信道容量。为提高带宽利用率，盲自适应均衡技术被关注。盲自适应均衡不需要训练序列，仅利用所接收到的信号完成对信道的均衡。与传统的自适应均衡技术相比，盲均衡算法的不同之处在于以非凸函数为代价函数，而传统的均衡技术以 MSE 为代价函数。与 MSE 相比，非凸代价函数的条件更弱，可以在所有发射信号未知时，通过特定信号获得发射信号的统计最小值。非凸代价函数很好的描

116、述了码间干扰的程度。盲均衡算法代价函数与自适应均衡算法的代价函数不同，因而两类算法极值点不同，对于盲均衡算法而言，最小化 MSE 的抽头位置不准确，性能无法达到最优。盲均衡算法实现形式很多，盲均衡算法大致可以分为以下三类37：1)基于随机梯度的 Bussgang 盲均衡算法；2)基于信号高阶或循环统计特性的盲均衡算法；3)利用最大似然函数、熵或散度，基于信息论中最大互信息量的盲均衡算法。在以上三种盲均衡算法中，基于最大似然的盲均衡算法和基于高阶或循环信号统计的盲均衡算法，计算复杂度大，但是性能较好。由于可见光通信的信道相对比较稳定，采用 Bussgang 盲均衡算法即可达到不错的性能，是兼顾性

117、能和复杂度的不错选择。对于可见光通信信道而言，如果传输的信号带宽远远大于 LED 的 3dB 带宽，将会导致严重的码间干扰。一般而言，常用的时域均衡主要有线性横向均衡、判决反馈均衡、分数间隔均衡以及自适应均衡。对于 OFDM 系统，接收端一般采用频域均衡，信道响应在一个符号内保持不变，可以保证设计系统时循环前缀的长度大于信道的最大多径延迟，即单抽头结构的频域均衡就是其最佳的均衡器。此时均衡的本质是，通过循环前缀的加入和移除操作，将信道矩阵转换为循环矩阵，只需在频域上进行对信道直接补偿即可恢复出发送端的频域信号。因此，OFDM 的均衡包括信道估计和信道补偿两个部分。可见光信号传输时可利用时间、空

118、间、波长、码字等多维资源，但也由于传输环境造成的畸变，使得信号在接收端检测变得困难。针对可见光信号无线多维传输信道，需要分别针对时域、频域、空域码间串扰的均衡和信号检测方法3839。在时域44 中，由多径效应造成的码间干扰，可以采用时域均衡算法消除；对于多载波 OFDM 调制和传输信道在各频段的响应中的干扰，可以采用频域的多通道均衡；对于空间MIMO 多维子信道，可以利用接收端多路信号的矩阵结构化信息，进行矩阵空间的均衡，降低相关性。联合面向多维资源的均衡方法和信号检测方法，可以实现综合优化。5.5 多址与复用技术 复用技术是在互不干扰的前提下，让多个信息源共同使用同一个物理资源（比如一条物理

119、通道）。利用可见光通信具有宽光谱特性和大规模接收阵列的特点，可设计实现多域多维的光信号的复用增益。常用的复用技术有频分复用（Frequency Division Multiple，FDM）、时分复用（Time Division Multiple，TDM）、码分复用（Code Division Multiple，CDM）、波分复用（Wavelength Division Multiple，WDM）等。图5-20 复用示意图 多址技术，用来区分不同用户的一种技术，用户的地址之间互不干扰，满足相互正交。与复用技术对应，常用的多址接入方式有频分多址（Frequency Division Multipl

120、e Access，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）、波分多址（Wavelength Division Multiple Access，WDMA）等。多址和复用的不同之处在于，多址技术是用不同的地址来区分用户，这个地址可以是时隙、频率、波长、码字等，复用是指用户利用资源的方式。简单来说，复用针对资源而言，多址针对用户而言，但多址需要复用来

121、实现。5.5.2 频分复用与频分多址 频分复用，指发送端将所发送的信号调制到不同的载波频率上，将不同频率的数据合成在同一信道发送，在接收端再将其分离。由于正交性，使得不同信号的干扰得45 以避免。在可见光通信中，就是将 LED 的带宽划分为不同的子频带，不同的子频带按照一定的分配准则，分配给不同的用户。每个用户分配到一定的频带后，通信时一直占据着自己的频带，即每个用户占用的是不同的带宽资源（带宽资源指的是频率带宽而不是数据的发送速率）。在频分多址技术中，每个用户占用不同的频段，通过频率来区分用户，因为各个用户使用着不同频率的信道，所以相互没有干扰，多用户可以同时通信。由于其易应用、信道分配复杂

122、度低的优势，被第一代移动通信系统应用。OFDMA 技术，利用了 OFDM 子载波的正交性，具有比 FDMA 更高的频谱利用率，能够有效抵抗码间干扰。OFDMA 技术广泛应用于第四代移动通信系统中。图5-21 频分复用示意图 5.5.3 时分复用与时分多址 时分复用，是将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每个帧又等分成时隙给用户使用，每个时隙周期性地出现，信号在不同的时隙中进行传输。每个时隙由多个发送端中的一个发送端传输信号，其周期就是时分复用帧的长度。相比较频分复用，时分复用是在不同的时间占用相同的频带宽度。由于各个时隙间是正交的，因此这些信号之间干扰被消除。时分复用的传输机制如图 5-22

123、和图 5-23 所示。46 图5-22 时分复用示意图 由时分复用的概念可知，当某段时间内，时分复用的某个时隙暂时无数据传输时，则会该子信道（时分复用帧中的时间片）空闲，这样就会浪费线路资源，如下图5-23所示。从图中可以看出，第一个时分复用帧中时隙A、B被使用，第二个时分复用帧中时隙B、C 被使用，第三个时分复用帧中只有时隙 C 被使用，第四个时分复用帧中时隙 A、D 被使用，资源利用率低。图5-23 时隙分配 TDMA 技术，每个用户通过分配不同的时隙，来区分不同用户的信息，不同用户只能在不同时间内分别通信，其缺点是同步开销大，信道均衡要求高。应用于第二代移动通信系统。5.5.4 波分复用

124、与波分多址 多色光源可以通过融合多种原色光，使得 LED 发出不同颜色的光。白光就可通过红绿蓝三原色合成。通过在不同波长的光上调制不同的数据，在接收端经过不同波段47 的滤波片后，将不同波段的信号进行分离，实现波分复用增益4041。波分复用原理示意图如图 5-24 所示。图5-24 波分复用原理图42 三个不同光源的信号，经过放大器后，在Bias-Tee处混合上直流偏置后，加载到不同颜色的 LED 上，三种不同颜色的光在空间混合产生白光，经过不同波长的滤光片滤波之后，由光电转换器转换成电信号以后由 ADC 采样，然后由后端或者离线处理。红绿蓝的三色频谱和接收端信号的频谱如下图 5-25 所示，

125、三色光谱可以通过不同波长的滤光镜（380nm-480nm，480nm-580nm，580nm-780nm）滤光进行分离。滤光片的要求包括：带内频响平坦、带外插入损耗变化陡峭、有效隔离其它颜色、高透射率等。滤光片的性能对于整个系统是至关重要，直接关系到系统不同信道之间的串扰能否得到有效抑制。图5-25 RGB-LED频谱43 同样为满足照明的需求，多色 LED 在调制多路信号在空间混合时，混合光需要满足整体合成光的色调。麦克亚当椭圆描述了人眼对于色品的分辨力，人眼无法区分同一麦克亚当椭圆中的两个颜色。在设计时可以通过将不同颜色 LED 上合成光不超出麦48 克亚当椭圆边界这一约束，来满足对合成光

126、的要求。在接收端，不同颜色光的光电转换效率存在差异，接收信号能量不同，可在解调过程中通过给不同颜色的光赋予不同的权重，来提高系统性能。WDMA 技术，通过不同的波长来区分每个用户，在接收端可以分别接收解调。值得注意的是，频分复用所复用的是时隙、空间和码，划分的是载波带宽（频率上区分信道），即在同一时隙、同一空间、同一个正交码的情况下，将一个载波带宽划分为相互区别的、多个不同频点的子信道，分别传送不同的信号。对于其余几种复用方式相似。表5-3 复用技术 类型类型 可复用的资源可复用的资源 正交资源正交资源 频分复用 时隙、空间、码 频率 时分复用 频率、空间、码 时隙 码分复用 时隙、频率、空间

127、 正交码 空分复用 时隙、频率、码 空间 下面是对几种多址接入技术的优缺点做了一个总结。表5-4 几种多址技术的比较4446 多址技术多址技术 FDMA TDMA CDMA OFDMA WDMA 容量 小 中 高 高 中 挑战 低灵活性 同步开销大 效率较低 高复杂度 资源分配 复杂 标准 AMPS GSM WCDMA；CDMA2000 4GLTE 基于包括TDMA、FDMA、CDMA在内的电复用和包括 WDMA、SDMA的光复用多址接入技术，可根据用户所在位置、角度、用户密度、移动性等，基于实时测量和统计信息，构建多用户行为和信道变化的预测模型，在多光源、多区域协同场景下，探索多用户效用理论

128、极限和干扰协调机制，进一步探索最佳的多址接入方案，以实现连续均匀无缝覆盖。49 5.6 MIMO 技术 MIMO 技术通过空间复用可以实现在有限带宽上进行高速通信，是未来高速可见光通信的重要技术。MIMO 技术使用多个发射机发送数据和多个接收机接收数据，在不增加频谱资源的同时拥有更高的传输容量。MIMO 技术在很大程度上可以克服由于可见光通信较强的方向性，造成的通信链路被室内人员走动、家具阻碍而中断通信的问题。在可见光通信中，关于 MIMO 系统的研究包括多点漫射（Multisport-Diffuse,MSD）MIMO、像素化 MIMO、非成像接收机 MIMO 和成像接收机 MIMO47。5.

129、6.1 MSD-MIMO48 MSD-MIMO 是一个混合的系统，联合利用了视距链路和非视距链路的特性和优势，因而不需要发射机与接收机的严格对齐，可以抵抗遮挡引起的链路中断，但需要的发射功率相对较高。在室内可见光通信中，使用漫射链路的 MIMO 系统传输数据时，由于表面的反射，漫射链路的性能会由于时间弥散而变差49。在 MSD-MIMO 系统中，发送端发射多个窄波束照亮某个小区域，来自视场角内不同漫射点的光信号，被多单元方向分集接收器接收。通过适当的设计，MSD-MIMO 链路是单一路径的漫射点，不受多径信号影响。由于系统中的链路使用来自墙面或者天花板的漫射链路，为非视距链路，因而需要较大的发

130、射功率。图5-26 MSD-MIMO链接阻塞示意图47 由于这样特殊的通信方式，MSD-MIMO 通信系统的收发机具有特殊要求。发射器中微单元需要有均匀的照明度和大的偏转度来保证良好的覆盖区域。这两个要求可以通过在链路中加入聚光器和光带通滤波器实现。聚光器起到增加接受光功率的作用，带通滤波器用来滤除噪声。接受器总的视场角则需要保证足够大以确保可以覆盖足够的漫射点，使得部分漫射链路阻断时，依然可以保持通信。对于单个接收器而言，视场角则越窄越好，使得光噪声得以抑制。50 5.6.2 像素化 MIMO 点到点的 MIMO，也就是像素化 MIMO，发送端通过二维光阵列发送编码成像序列来传输高速率数据，

131、接收端通过成像检测器来获取二维图像。全息图像存储、二维条码以及 MIMO 无线光链接等都是二维光强度信道的应用50。图 5-27 为像素化 MIMO系统示意图。图5-27 像素化MIMO系统示意图47 发射器为空间光调制器，输出光强度空间分布。传输图像幅度要受到非负和功率的联合约束，即发射信号的光强度为非负值以及图像的最大平均幅度受平均光功率的限制。接收机捕获发射器图像，输出一个描述接收端光功率空间分布的电信号，可以通过成像棱镜在检测器阵列表面形成聚焦的图像。像素化 MIMO 传输和检测包含大量像素的一系列图像，可以提供短距离、高速率无线光链接。像素化无线光信道可以提高频谱效率，它利用了发射器

132、和检测器像素之间固有的空间自由度。像素化无线通信也可以应用在可见光通信中，由于其高频谱效率，像素化无线光链接在短距离室内光通信中十分具有前景。5.6.3 非成像 MIMO51 非成像接收机 MIMO 系统如图 5-28 左图，使用多个发射 LED 和多个接收 PD，原理框图如图 5-29 所示。系统的输入为串行的数据流，在接收端转换为与发射器数目一致的并行数据流。在接收端，接收机的信号都包含视距和非视距两种信号。非成像接收机 MIMO 系统特点是配置直接、简单，它的缺点就是在发射 LED 对称的区域内MIMO 信道的相关性较强，破坏了 MIMO 的空分复用特性。51 图5-28 非成像和成像M

133、IMO系统示意图47 图5-29 非成像MIMO可见光系统框图52 5.6.4 成像 MIMO 使用非成像 MIMO 系统时，得到的信道矩阵 H 是对称的，而不是可逆的矩阵，这是不实际的52。此外，非成像系统接收端每个接收单元使用一个聚光器，成本高、体积大，故而提出成像分集光 MIMO 系统，如图 5-28 右图。成像 MIMO 系统框图如图 5-30 所示，通过光学成像方式实现收发端的分集复用，接收机通过成像图上的像素点完成多数据流的接收。由于发射机和接收机一一对应，因此并可以直接进行 MIMO 的解复用，不需要额外的数字信号处理算法。不足之处在于，接收端与发射端需要严格的对准，但是传输距离

134、的改变或者角度的改变，都会导致接收端不能正确解调数据，因而对于移动性较大的系统来说是巨大的挑战52。当一个成像接收器信号无法恢复时，可以从空间其余发光单元中获得解码数据，因为可以使用成像接收机保证 H 矩阵可逆。MSD-MIMO 和像素化 MIMO 系统都有很大概率因阴影而导致通信中断；像素化MIMO 系统适用于二维信号的传输，即图像传输和图像检测；非成像接收机 MIMO 信道矩阵不是满秩，无法解调出原始信号，无法实际应用。当前的研究主要集中在成像52 接收机 MIMO 系统，以解决信道矩阵不满秩和系统复杂性问题。图5-30 成像MIMO可见光系统框图52 在可见光通信中，通常采用强度调制与直

135、接探测（IM/DD），随着对数据传输速率要求的提升，码间干扰的影响日益显著，系统的性能严重恶化。由于 LED 的调制带宽较低，单个 LED 无法实现高速通信，自然地，我们将 MIMO 技术应用到可见光通信中，以实现在不增加频带的情况下实现高速的数据传输。因而在高速通信中，使用MIMO-OFDM 调制技术，以减少码间串扰5455。由于忽略了信号的频率和相位信息，接收端检测器的尺寸远大于波长，使得 MIMO 信道的空间相关性较强，造成信道矩阵严重缺秩，难以获得空间复用增益，影响传输速率。可见光信号具有高相关性、发散性以及光源之间干扰较强等特点。因此，如何在接收端结合光学处理和光电接收阵列检测器，设

136、计空间解相关算法，获得高的空间复用增益，是需要攻克的难点。目前，大规模 MIMO 技术是可见光通信中进行超高速率传输的备选技术之一，通过发送端的大规模 LED 阵列和接收端大规模 PD 阵列，实现数百 Tbps 的传输速率。但是由于光信道的特殊性，有别于传统的无线通信，可见光通信具有以下两个特殊问题，即信道相关性高和传输信号、信道元素非负性的特点，需要快速有效的编码和检测算法。5.7 本章小结 本章主要阐述了实现可见光通信的关键技术，包括可见光通信信道建模、调制技术、编码技术、均衡技术、多址与复用技术以及 MIMO 技术。随着可见光通信关键技术的突破，可见光通信速率飞速提升，产业化进程加快。5

137、3 第六章 可见光通信面临的问题与挑战 可见光通信技术是一项前沿的学科间交叉技术。该技术的发展有着自身的特点：一是发展历程长，二是广泛应用难。自 2000 年日本学者提出利用 LED 灯作为通信基站的室内通信系统以来，可见光通信已历经近二十年的开拓期。对比当前普及的 WiFi 和蓝牙技术，可见光通信在市场价值上依然未得到合理的体现和产业化发展，根本原因是可见光通信技术依旧面临几个重大挑战。6.1 新材料与新器件 在可见光通信中，LED 的响应频率决定了系统的调制带宽。LED 的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和 PN 结电容的影响。LED 灯珠在 10dB 带宽为小于 20MHz，而且有很强

138、的非线性效应。如何提高 LED 的响应频率和拓展其带宽是实现高速可见光通信必须解决的难题之一。当前的商用大功率白光 LED 主要用于照明领域，内部结构相对简单，并没有考虑通信系统的需求。而且，LED 的调制带宽主要受自身结构所限，不同厂家在 LED 生产所用材料和生产工艺不同，因此调制特性存在较大差异。因此未来如何研发和生产出兼顾发光效率和带宽的大功率 LED,是可见光通信大规模应用的重点之一。图6-1 高速可见光通信系统在器件上的挑战 可见光通信的发射机和接收机近年来被广泛关注，主要的挑战如图 6-1 所示。LED和LD是目前主流的发射机，LED被用作发射机主要是因为它的易耦合性、安全性以及

139、低成本，但是现有的廉价商用 LED 的 3dB 带宽小于 100MHz，无法满足高速通信的需要。LD 作为发射机主要是因为激光具有相干性，所以天然地拥有大于 Giga 赫兹的带宽，但是其在使用的时候耦合对准较难且具有散斑效应，同时对于人眼的安全性也存在潜在的威胁。54 在可见光通信接收器件中，光电探测器实现光电信号的转换。光电探测器的选取包括灵敏度、响应度和量子效率等参数，也包括性价比，可靠性和与硅微电子的兼容性等性能特点。PIN光电二极管是目前成本较低的主流探测器，但其灵敏度低，不能进行远距离通信且响应带宽有限。APD 雪崩二极管是利用雪崩效应以提供较大放大倍数的光电二极管。虽然它的接收灵敏

140、度很高，但是引入的噪声也同样很大，不适用于对信噪比要求高的应用场景中。在目前商用的接收机中，如果想要增大接收机的调制带宽，其噪声系数必然增大，与此同时光敏面的面积也会相应缩小，这为接收机端的光学天线带来了严峻的考验。单片集成硅光接收器因为波长响应范围和工艺方面的诸多优势成为硅光电探测器的主流。对于可见光通信，硅基探测器灵敏区域位于红外波段，蓝光波段光电效率低。高速可见光通信亟待实现光电芯片层面的物理性进展。因此，需要研制新的适用于未来高速可见光通信的发射机与接收机，以满足大带宽、低成本、易耦合、高灵敏度等需求。二维材料是一种新型材料，涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体，性能应用也从最初的电子

141、输运性质,拓展到光电器件、自旋电子器件和新兴柔性微纳电子器件、谷电子器件、量子器件，一直到后来的传感器、可穿戴设备、光通讯、新能源等诸多方面。在可见光通信中，二维材料既可以应用在发射器件中，也可以应用在接收器件中。在发射器件中，二维材料可以作为 LED 的电极或外延生长缓冲层以提高 LED 的性能，可以用于 LED 的散热以提高 LED 的稳定性，还可以用于制备微型、柔性、高集成化的新型光发射器件。在接收器件中，二维材料也可以用于制备微型、柔性、高集成化的新型光接收器件。二维材料在可见光通信领域的应用仍然有着很大的提升空间，同时也存在着诸多的挑战，不论是材料的制备还是器件的设计优化以及应用的开

142、发。6.2 可见光通信异构组网 在未来应用中，可见光通信与其他通信方式的异构融合是必不可少的一步，如图6-2 所示，如何将可见光系统成功接入现有通信网络、发挥其优势并支撑室内多用户大容量通信，是未来可见光发展的又一大挑战。复旦大学于 2014 年成功实现了 25 km 光纤与 75 cm 可见光组网，通过 32QAM-OFDM 调制方式实现了 8Gb/s 总吞吐量，可同时支持8个用户的接入。这一实验证明了可见光系统可以兼容目前的骨干网，成为接入网中一种大容量的无线通信方式。55 图6-2 高速可见光通信系统在异构组网上的挑战 但是在实际运用当中，可见光异构组网依旧存在很多亟待解决的问题。首先是

143、可见光通信的上行链路问题，若以可见光的方式回传，对于移动端的功耗要求太高。此外，上下行光路之间可能会互相干扰，实用化光通信在链路上需要两个基本条件：上下行链路完整性以及链路稳定的畅通性。首先，LED 可见光双向通信的信道包括上行和下行。下行链路采取非定向传输。如果采用同样的可见光方式，因发射的 LED 光不需要照明所以功率较低。因此下行链路对上行方向的光覆盖和干扰，以及聚焦准直方面都会产生影响。在通常的应用中，上行信号需要采用红外，射频等其他技术来实现。其次，在链路畅通方面，可见光不能像 WiFi 那样绕射和穿墙。在可见光通信系统中，为避免由于人和物体的遮挡在接收机表面形成阴影，通常需要多个光

144、源。但单纯地增加 LED 灯的个数，却并不能使系统的通信性能达到最佳。这是因为不同的光源与接收端之间具有不同的光路径，继而引起多径延迟产生码间干扰。因此如何合理地解决可见光的上行链路问题一直是人们在考虑的问题。在室内布设可见光接入点时，接入点数量要与用户数要匹配。在多接入点接入时，会遇到互相干扰、移动性管理等问题。当现有的业务流到灯时，如何利用可见光通信顺畅地与这些业务对接，以及可见光与空间激光通信、太赫兹通信、毫米波通信和微波无线通信等通信技术如何共存和兼容，这些问题值得研究学者在未来进一步探索。同时，组网也需要考虑单接入点最多可以同时支持几个终端接入的问题。目前可见光通信还局限于“点对点”

145、通信；在未来需要针对“一对多”、“多对多”等应用场景，研究网络光通信专用协议和编码，突破信道干扰抑制技术、信道自适应优化技术等难题，结合现有通信规范，针对光纤、微波、电力线载波、无线电波等跨介质接入对象，研究制定具有普适性的协议及相应硬件模块，实现异构融合组网的互联互通。56 6.3 先进的调制编码和数字信号处理算法 先进的调制编码和数字信号处理算法对于高速可见光通信至关重要。在有限带宽下，不断逼近通信容量极限是高速可见光通信面临的核心科学问题和最大挑战。多维复用技术是进一步提升可见光通信容量的一种有效手段。具体来说，传统的相移键控（PSK）、频移键控（FSK）等典型的一维调制需要向多维调制方

146、式发展，融合振幅、频率、相位、横向空间分布、偏振等多维度调制信号。同时，在可见光通信系统的不断优化和改善下，系统的信噪比也在进一步提升，运用高阶调制，例如64QAM、128QAM 等，可以进一步提升频谱效率。波分复用、偏振复用等复用技术更是可以进一步提升系统容量。牛津大学、复旦大学、爱丁堡大学先后利用波分复用技术与先进的调制格式，分别实现了 10.4Gb/s、10.7Gb/s、15.7Gb/s 的多色 LED 高速可见光通信系统。但是，目前普通的 WDM 可见光通信系统并没有充分利用频带资源，不同频带之间的带隙浪费了频谱资源。另外，不完美的调制和编码方式，使得目前信道容量远远没有到达香农极限。

147、近年来，超奈奎斯特调制、概率几何整形、极化码等新技术不断涌现并成功应用于可见光通信系统中，进一步提升可见光通信系统的频谱利用率。6.4 可见光通信信道建模 可见光在信道传输中，受到很多环境因素的影响，光通信器件复杂多样，波长跨度从紫外波段、可见光波段到红外波段，这些器件的物理光电特性都有很大区别。最后，可见光通信信道在应用中还可能涉及到运动目标，来自不同方向、不同运动速度、连续非连续干扰等都会对于信息高速传输产生致命影响，同时应考虑相对广覆盖和大视场角接收问题。尤其在水下可见光通信中环境恶劣，吸收、散射以及湍流会极大程度影响水下光通信的传输距离。目前的可见光信道建模仅仅都是根据LED或LD器件

148、本身光场分布与空间特性建立的。但是，实际的可见光通信系统信道还包括了接收机频响特性、光学天线、空间光场分布、大气湍流、背景光噪声、散射衍射反射等。结合这些信息的可见光信道建模将在未来给高速可见光通信提供理论指导，对空间无线可见光通信、水下无线可见光通信都有重大意义。57 图6-3 可见光通信信道建模 6.5 可见光通信芯片研制 可见光通信产业链主要环节包括：电力线载波、LED 灯、可见光通信收发芯片及配套的光电器件、有线通信（光纤、同轴线、电话线电力线等）与无线通信（WiFi/3G/4G等）网络等，目前世界上可见光通信的商业系统仍局限于模块化产品，没有见到芯片级报道。可见光通信系统没有专用芯片

149、组，发射和接收电路通常采用分立电路；若采用通用芯片又会造成性价比的浪费，因此在应用技术服务的二次开发和制造成本方面都存在一定的障碍。未来的可见光通信技术要求在 LED 材料、器件、封装、模块等多方面更好的优化，如开发可见光通信编解码芯片以替代手机和笔记本电脑上现有的 IrDA红外通信和蓝牙通信。深圳市在 LED 显示屏和封装行业优势明显；但是，产业链高端环节比较薄弱，核心关键设备及芯片企业数量少，规模偏小有可能成为制约可见光通信发展的瓶颈之一。芯片的研究处于整个产业链的核心部分，国内外暂时还没有成熟芯片组设计出现。针对芯片组的设计可以沿着可见光通信基础特性的研究路线，即针对低速率不同典型应用场

150、景的专用芯片设计，再到高速率高需求应用场景下的要求。6.6 可见光通信市场应用 无论国外还是国内，对于可见光通信的具体应用大多数处于实验室研究阶段，并未形成规模化的试应用。从产业结构上来看，待技术成熟到一定阶段后，早日开始可见光的试点规模化应用，可以占领应用产业链结构的上游与先机。具体的来说现在可以面向矿下通信与定位、地下停车场车辆定位、大型楼宇室内人员三维定位、超市物品展示与导购、博物馆展品无线讲解、手机安全支付等典型行业应用需求，充分挖掘可见光通信的核心价值，抢占通信与定位芯片上游产业链，积极培育可见光通信产业的初级市场发育。后期在面向针对我国家庭信息网络绿色节能、高速传输、移动接入、智能

151、物联的典型需求，以可见光通信新一代绿色信息技术为牵引，遵循绿色照明58 与绿色通信共生发展的原则，在室外三网融合的基础上，依托泛在的电力网与移动通信网，实现室内末端网络的深度融合，构建未来新型家庭绿色信息网络应用示范系统，促进可见光通信这一战略性新兴产业的快速发育。虽然可见光通信研究业界一直在努力开掘一些新市场，包括电磁严控环境下的光通信和水下高速传输。但是，目前人们所能想象到的可见光通信主流市场还是比较传统的市场，往往是其他先发技术已占据的市场。例如，基于 LiFi 技术的室内光通信网络就是如此，WiFi 已占据该市场，而且还在快速发展，这在一定程度上减弱了可见光通信的竞争力。此外，企业研发

152、投入不足，缺乏拳头产品和核心竞争力，未来产业技术发展方向缺乏足够的引导。目前虽然国内可见光企业具有一定数量的专利，但是能够和国际大厂竞争的核心专利技术不多。因此，如何突破国外的专利壁垒是可见光产业发展面临的一个重大问题。其次，除个别企业能够针对市场自主研发可见光通信应用产品外，大多数可见光企业生产的产品档次还不够高，缺乏具有核心技术的、具有市场竞争力的拳头产品。技术研发人才不足，发展后劲不够强是可见光企业普遍存在的问题。另外，有些地区的企业对未来的产业技术发展方向感到很迷茫，接下来如何发展没有思路。产业集聚度还较小，龙头企业还不够突出，虽然在某些领域已经有些企业显示出龙头的实力，但总体上说还缺

153、乏能够带动整个行业的龙头企业。部分地区信息流通不畅，对政府扶持政策和技术发展趋势认识不深。一些企业主要靠自己的力量在市场上打拼，对政府的扶持政策、项目资金支持等不够了解，对周围企业的发展、市场和技术发展趋势等也不够了解。另外，有些企业反映对专利的查询有困难。缺乏产品标准体系，存在恶性竞争行为现在还没有形成衡量 VLC 产品的客观标准，有些企业为了降低成本，采用低质材料降低了产品质量和可靠性，影响了产品的进一步推广，使得 VLC 产业市场发展混乱。缺少检测认证平台缺乏能够得到大家公认的检测认证系统，一些产品必须拿到国外去做认证才能进入国外市场产品必须拿到国外去做认证才能进入国外市场，增加了成本，

154、耽误了宝贵的时间。可见光通信在产业化推广中被认为会取代现有的无线通信技术，并被取名为与 WiFi 类似的 LiFi。然而，目前 WiFi 和 4G 均十分成熟，热点和基站建设日益密集，用户体验越来越好，这就使得可见光通信在民用领域的应用意愿并不强烈。市场重合导致需求牵引不足，还需要人们从市场深度细分和应用创新融合两个方面更多地发挥想象力和创造性，才能推动可见光通信技术快速健康成长。59 6.7 可见光通信标准制定 绝大多可见光通信的应用中，需要遵循的包括：（1）通信标准；（2）具体应用中相对应的其他标准，如人眼安全标准，照明标准或交通运输标准等。这是可见光通信与其他通信方式的显著区别；也为标准

155、的制定机构的协作提出了挑战。目前可见光通信目前国际标准尚未成熟。日本可见光通信协会 Visible Light Communication Consortium（VLCC）于 2007 年在日本电子信息技术产业协会（JEITA）发布了 2 项标准，分别是：可见光通信系统标准（Visible optical communication system,JEITA:CP1221），该标准确定了 VLC 使用的范围、波长、通信方法、频率划分、通信范围、测试方法和安全性等要求；以及可见光 ID 系统标准及修订版，该标准使用分层结构进行信息传输，其中物理层通信速率为 4.8kbps 调制方式为 4PPM，

156、采用 128位数据帧。2008 年日本 VLCC 还在红外线标准协会（IrDA）物理层协议基础上扩展出一个新的可见光通信系统规格标准。2011 年美国的电气电子工程师协会提出了802.15.7 标准，此标准对短距离 VLC 的物理层和介质访问控制层 Media Access Control（MAC）进行了定义，目标是为短距离 VLC 设备互联提供全球性标准。而我国作为拥有世界最大规模的 LED 产业大国，和拥有华为、中兴、中移动等领军企业的通信业强国，在该方向目前尚处于空白阶段。因此，通过建立统筹机构，制定适合多行业的兼容性标准体系非常必要。专利布局方面国内也比较被动，急需积极构建专利池以保护

157、知识产权。可见光通信的典型应用场景尚不清晰，所以可见光通信系统将使用不同的发射器件、接收器件、光学器件以及通信关键技术，而且不同的应用场景确实需要不同的器件来组成通信系统。因此，国际国内标准组织应联合企业、高校、研究机构、运营商等制定完整全面的可见光通信标准，推动可见光通信标准化工作。6.8 本章小结 本章主要阐述了可见光通信发展面临的巨大挑战：新材料与新器件、可见光通信异构组网、调制编码和数字信号处理算法、信道建模、芯片研制、市场应用以及标准制定等。由于这些问题，可见光通信在市场价值上仍未得到合理的体现和产业化发展。60 第七章 未来发展规划 可见光通信在宽带高速、泛在覆盖、安全兼容、融合包

158、容、绿色节能五大方面等具备独特的优势。它提供一种全新的数据通信方式，并具有多领域，多场景，多行业的应用发展前景，比如室内高速上网、室内光定位、水下通信、电磁敏感场景比如核磁共振、飞机内部上网、核电站等，已引起国内外的广泛关注和研究。目前，可见光通信产业化正处于研究向商业化试点和推广的关键时期。国内较完整的 LED 照明升级产业链，为可见光通信奠定了较好的发展基础，同时也存在市场定位尚不清晰、产业链缺乏合作协同等问题。为此，我们对可见光通信的未来发展规划从系统设计和产业方面提出一些建议：7.1 系统设计 经过近十余年的深入研究，可见光通信技术的基础理论研究已基本完成。该项技术正处于理论研究向技术

159、应用转化的关键时期。然而，可见光通信是照明技术与通信技术的深度耦合，产业链长，技术问题纵横交错。在系统设计方面，主要考虑多网融合问题。未来的网络架构是既包含现有的无线接入技术，又包含新的可见光接入方式的异构网络。因此，在引入全新的可见光接入方式的同时，还将支持现有的包括 5G、4G、3G、2G 及无线局域网等在内的多种网络的传输。面向 6G 的异构融合网络，如何使不同类型、不同层次、相互重叠覆盖的可见光通信网络和各种无线通信网络融合到一起协同工作，形成端到端的技术体系仍需深入研究，比如同步流程、随机接入流程、小区切换流程、多连接、控制面和用户面的协议栈等内容。7.2 产业 可见光通信是照明与通

160、信的深度耦合，产业链长，涉及产业环节多，未来爆发式的增长将极大促进通信、半导体照明、集成电路、电力设备、电力线通信、微电子、环保、广告等多个相关产业的变革和发展，推进已有产业的转型升级。此外，可见光通信技术的应用将打破传统的通信运营商、电力运营商、通信系统集成商、各种销售商等的盈利模式，并催生新型行业，如 LED 电视相关的隐式广告、超市导购，AR/VR和混合现实。61 可见光通信的通照两用的优势大大简化了通信网络的建设，为广泛解决通信末端介入和深度覆盖问题提供了一种便捷而自然的方式。但是目前产业链尚未成型，行业间缺乏统一的融合标准，缺少协同，离产业化距离较远。要想真正实现产业化，更多需要跨行

161、业、跨厂商之间的协同与融合：（1）根据国际标准制定企标、行标等，早日开始可见光的试点规模化应用，占领应用产业链结构的上游与先机。具体的来说现在可以面向室内精确定位系统、旅游景点讲解、移动支付等典型行业应用需求，建立可见光试验网，充分挖掘可见光通信的核心价值，抢占通信与定位芯片上游产业链，积极培育可见光通信产业的初级市场发育。（2）后期推动可见光通信的大规模应用，全面引导产业技术发展方向，培育产业生态环境，全面促进可见光通信产业成熟和商用。（3）芯片的研究处于整个产业链的核心部分，国内外暂时还没有成熟芯片组设计出现。从技术上看，低速和中速可见光通信产品会逐渐成熟并迅速占领市场，其主要可应用于定位

162、与低速通信领域，可以满足未来市场基于位置信息方面的服务；而高速可见光通信需要在技术和成本都有较大突破的情况下，才会被市场接受。因此针对芯片组的设计可以沿着可见光通信基础特性的研究路线，即针对低速率不同典型应用场景的专用芯片设计，再到高速率高需求应用场景下的要求。由于可见光通信国际标准化工作制定尚未完成，可见光专用芯片还未研发上市和量产，该技术本身所具有的成本优势将因为通用芯片的高昂价格而暂时无法体现。芯片行业应综合考虑可见光通信典型应用场景以及提供的主要功能，研发可见光通信专用芯片。7.3 本章小结 可见光通信在宽带高速、泛在覆盖、安全兼容、融合包容、绿色节能五大方面等具备独特的优势，已引起国

163、内外的广泛关注和研究。目前，可见光通信产业化正处于研究向商业化试点和推广的关键时期，本章针对系统设计和产业两个方面为可见光通信未来发展规划提供一些建议。在系统设计方面，主要考虑多网融合问题。在产业方面，制定产业标准、培育产业环境、研发可见光通信专用芯片等。62 总 结 可见光通信的主要应用场景将涵盖 6G 空天地海泛在接入的三大场景，包含：室内高速接入、车车通信以及车路通信、飞机舱内通信、医院等干扰受控、商场等信息推送场景、水下通信、工厂自动化等高密接入干扰受控、室内导航、星间通信等。使用 LED 可见光通信与传统的无线通信技术相比较，它有以下优点：(1)可见光LED 基础设施分布广泛；(2)

164、可见光对人体安全；(3)发射频率高，传输速率快；(4)无电磁干扰；(5)频谱较宽，且无需频率许可。由此可以看出，LED 可见光通信技术提供一种全新的数据通信方式，并具有多领域，多场景，多行业的应用发展前景，已引起国内外的广泛关注和研究。可见光通信当前需要攻克六项关键技术，包括信道建模，调制技术，编码技术，均衡技术，多址与复用技术，MIMO 技术等。在可见光通信中，通信链路格局、路径损耗、多径色散产生的时延等都会影响通信信道的特性。这些信道特性决定了如调制、编码技术、发射功率、接收灵敏度等方面的通信系统设计。可见光通信系统的调制带宽十分有限，商用 LED 灯的 3dB 带宽一般只有几 MHz。除

165、了从 LED 结构、驱动链路的设计上考虑，选择合适的调制方式也可提升传输速率。为了提高信道编码需要满足带宽要求和复杂性要求，提高编码增益，保证传输误码率使编码效率达到最佳，能纠正随机错误、突发错误以及两者混合的错误。均衡技术从在通信链路实现的位置看，可以分为预均衡和后均衡。预均衡是在发送端对 LED 频响特性进行预均衡，后均衡则是在接收端进行干扰的均衡。利用可见光通信具有宽光谱特性和大规模接收阵列的特点，可设计实现多域多维的光信号的复用增益。常用的复用技术有频分复用、时分复用、码分复用、波分复用等。MIMO 技术通过空间复用可以实现在有限带宽上进行高速通信，使用多个发射机发送数据和多个接收机接

166、收数据，在不增加频谱资源的同时拥有更高的传输容量，是未来高速可见光通信的重要技术。经过近十余年的深入研究，可见光通信技术的基础理论研究已基本完成。该项技术正处于理论研究向技术应用转化的关键时期。在系统设计方面，主要考虑多网融合问题。未来的网络架构是既包含现有的无线接入技术，又包含新的可见光接入方式的异构网络。因此，在引入全新的可见光接入方式的同时，还将支持现有的包括 5G、4G、3G、2G 及无线局域网等在内的多种网络的传输。面向 6G 的异构融合网络，如何使不同类型、不同层次、相互重叠覆盖的可见光通信网络和各种无线通信网络融合到一起协同工作，形成端到端的技术体系仍需深入研究，比如同步流程、随

167、机接入流63 程、小区切换流程、多连接、控制面和用户面的协议栈等内容。在产业化方面，根据国际标准制定企标、行标等，早日开始可见光的试点规模化应用，占领应用产业链结构的上游与先机。后期推动可见光通信的大规模应用，全面引导产业技术发展方向，培育产业生态环境，全面促进可见光通信产业成熟和商用。64 参考文献 1 Ying K,Yu Z,Baxley R J,et al,“Nonlinear distortion mitigation in visible light communications,”IEEEWireless Communications,vol.22,no.2,Apr.2015.2

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